JP2006113248A - Eccentric reflection optical system and optical system using the same - Google Patents

Eccentric reflection optical system and optical system using the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To connect input light to a light receiving face at high efficiency by introducing the input light to an image plane and including a substantial afocal optical system in which substantially parallel light is used as the input light, forming an exit pupil in an optical path, and varying, for example, the position of the exit pupil, a pupil diameter, an image side NA, an angular magnification, or the like, in an eccentric reflection optical system and an optical system using the eccentric reflection optical system. <P>SOLUTION: An eccentric reflection optical system 50 is composed in which substantially parallel input light 20 is converged with a reflection mirror having positive power 1 and a reflection mirror having negative power 2 to form an intermediate image 12, and then the substantially parallel light is formed with a reflection mirror having positive power 3, the substantially parallel light is made incident along the optical axis of a focusing lens 5 with a galvano mirror 4, and an image is formed on an image plane 6. Further, the reflection mirror 2 is moved in parallel with respect to the reflection mirror 1 to vary the position of the intermediate image 12 and the angular magnification of the afocal optical system composed of the reflection mirrors 1, 2 and 3 is varied by moving the reflection mirror 3 according to the position of the intermediate image. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

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。   The present invention relates to a decentered reflection optical system and an optical system using the same, for example, a decentered reflection optical system used when focusing on a focal plane in a telescope, optical communication, optical information recording, and the like, and an optical system using the same. It is about.

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)
In a small display device, an imaging device, an astronomy field, a spatial optical communication field, and the like, it is known that a reflective optical system has superior characteristics compared to a refractive optical system. As an advantage, it is possible to cover a very wide band as long as it is a reflective material and a reflective film that do not generate chromatic aberration and allow reflection spectral characteristics. Further, since the optical path is folded by reflection, the entire optical system becomes compact, and if the curvature is the same, the power is four times that of the refracting surface, so that the curvature can be reduced and the occurrence of aberration can be suppressed.
For example, in the field of astronomy, Cassegrain type and Gregorian type reflection optical systems using a combination of primary and secondary mirrors are famous, but these mirrors are arranged on the same axis, so the secondary mirror part is It is shielded and energy loss is inevitable. In view of this, a decentered reflecting optical system in which these reflecting surfaces are combined with each other decentered or tilted has been devised.
Such a decentered reflecting optical system is more complicated in arrangement than a coaxial optical system because a plurality of reflecting surfaces are arranged decentered or inclined. Therefore, there is known one in which each reflecting surface is fixed to a reference surface provided with high precision.
For example, Patent Document 1 describes an optical element in which the arrangement is fixed by providing a reflecting surface on the outer peripheral surface of a prism and integrating a plurality of eccentric reflecting surfaces. In addition, it is described that the optical element is provided with a reference surface and positioned with respect to the holding member.
Further, it is described that this optical element can be suitably used for a video camera, a still video camera, a copying machine, and the like.
Japanese Patent Laid-Open No. 10-62690 (page 6-10, FIG. 1-3)

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。
However, the conventional decentered reflection optical system and the optical system using the same have the following problems.
In the technique described in Patent Document 1, the eccentric reflecting surface is integrated with the prism, so that the placement accuracy at the time of manufacture can be maintained, but the placement error at the time of manufacture is also maintained, and all the performance of the optical system is manufactured. There is a problem that it is decided at times. That is, when such an optical element is attached to another device or optical system, there is a problem that the performance of the optical system cannot be varied according to the necessity of the counterpart device or optical system.
For example, in order to perform good communication in a spatial light communication device, it is necessary to accurately guide the received light received by the optical antenna toward the light receiver or the optical fiber on the light receiving side and to combine them with high efficiency.
Also, when an exit pupil is formed in the optical path using an afocal optical system, the pupil position, pupil diameter, image side NA, angular magnification, etc., such as the optical fiber diameter for coupling the received light, the tracking mechanism, etc. It is preferable that it can be appropriately changed according to the configuration.
In the optical element described in Patent Document 1, it is impossible to correct the degradation of the imaging performance due to manufacturing errors, or to change the pupil position, pupil diameter, image side NA, angular magnification, and the like according to the configuration of the attached device. There is.

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。   The present invention has been made in view of the above problems, and includes a substantial afocal optical system using substantially parallel light as input light, and forms an exit pupil in the optical path, for example, the pupil of the exit pupil. Provide a decentered reflection optical system that can be coupled to the light-receiving surface with high efficiency by guiding the input light to the image surface by changing the position, pupil diameter, image-side NA, angular magnification, etc., and an optical system using the same. The purpose is to do.

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。
In order to solve the above problems, the decentered reflection optical system of the present invention is a decentered reflection optical system having a substantial afocal optical system that forms an intermediate image using substantially parallel light as input light, and is decentered or tilted. A plurality of reflecting surfaces having power, and a moving mechanism that varies at least one of the amount of eccentricity and the amount of inclination of the reflecting surface, at least one of the plurality of reflecting surfaces; To do.
According to such a configuration, by changing at least one of the decentering amount and the tilt amount of the reflecting surface by the moving mechanism, the arrangement error of the reflecting surface can be corrected to improve the decentration aberration, The input light can be guided to the image plane by changing the optical characteristics depending on the position and orientation, for example, the pupil position of the exit pupil, the pupil diameter and the angular magnification of the afocal optical system.

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。
In the decentered reflection optical system according to the present invention, the afocal optical system includes a first reflecting element having a positive power, which is decentered or inclined with respect to the axial principal ray of the input light, and the first reflecting element. It is preferable that the configuration includes a second reflecting element having a negative power, which is arranged eccentric or inclined with respect to the axial principal ray reflected by one reflecting element.
In this case, a compact afocal optical system can be formed by folding the optical path by the first reflecting element and the second reflecting element.

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。
In the decentered reflective optical system according to the present invention, in the configuration including the first reflective element and the second reflective element, the afocal optical system has a positive power on the image side of the second reflective element. An optical element, the intermediate image is formed between the second reflective element and the optical element, and an exit pupil is formed by the optical element, and the moving mechanism includes the first reflective element, It is preferable that at least two of the second reflective element and the optical element are configured to translate in a predetermined direction.
In this case, it can be set as the optical system which condenses the emitted light from an afocal optical system on an image surface with an optical element. Then, by providing a simple moving mechanism that translates at least two of the first reflecting element, the second reflecting element, and the optical element in respective predetermined directions, the pupil diameter of the exit pupil and the afocal optical system are provided. Can be easily and accurately varied.

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。
In the configuration of the decentered reflection optical system of the present invention, the structure includes a moving mechanism that translates at least two of the first reflection element, the second reflection element, and the optical element in respective predetermined directions. The moving mechanism holds the second reflecting element and the optical element in a relatively movable manner along the axial principal ray of the optical path between the first reflecting unit and the first moving unit or It is preferable that the first reflecting element includes a second moving unit that holds the first reflecting element so as to be relatively movable.
In this case, the intermediate image forming position can be varied by changing the element spacing between the first reflecting element and the second reflecting element included in the first moving unit by translating the second moving unit. Then, the first moving unit translates the optical element along the axial principal ray with respect to the second reflecting element, thereby matching the focal position of the optical element with the moving position of the intermediate image. Thereby, the pupil diameter of the exit pupil and the angular magnification of the afocal optical system can be easily and accurately varied.

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。
In the decentered reflection optical system of the present invention, it is preferable that the moving mechanism can change the pupil diameter and angular magnification of the exit pupil of the afocal optical system.
In this case, since the pupil diameter of the exit pupil can be varied, vignetting can be prevented from occurring when, for example, a light deflecting unit or a condensing unit is disposed at the exit pupil position. Further, since the angular magnification can be changed, the NA on the image side can be changed. For example, when the input light is coupled to a light receiving surface such as an optical fiber, it can be coupled with high efficiency without changing the NA of the condensing means. it can.

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。
In the decentered reflecting optical system of the present invention, it is preferable that a rotatable reflecting surface is provided in the vicinity of the exit pupil of the afocal optical system.
In this case, the light passing through the vicinity of the exit pupil can be deflected by the rotatable reflecting surface, and the light emitting direction can be changed or the position of the image plane can be changed. For this reason, for example, even when there is a change in the angle of view of the input light, the image height on the image plane can be kept constant by changing the deflection direction in a direction to cancel the change in the angle of view.

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。
The optical system of the present invention is an optical system including a light receiving device that receives at least substantially parallel light from the outside as input light, and the light receiving device includes the decentered reflection optical system of the present invention.
According to such a configuration, since the decentered reflection optical system of the present invention is provided in the light receiving device, an optical system having the same function and effect as the decentered reflection optical system of the present invention is obtained. Examples of such an optical system include a light receiving device having a tracking function or a light receiving device that also serves as a light transmitting device, a telescope, and an observation system that focuses on a focal plane.

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。 According to the decentered reflection optical system and the optical system using the same according to the present invention, the arrangement error of the reflecting surface is corrected to prevent the deterioration of the imaging performance, or the optical characteristics depending on the position and orientation of the reflecting surface, for example, The input light can be guided to the image plane by changing the pupil position of the exit pupil, the pupil diameter, the angular magnification of the afocal optical system, etc., so there is little deterioration in optical performance and high efficiency on the light receiving surface. There exists an effect that it can combine.

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。   Hereinafter, details of embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In all the drawings, even if the embodiments are different, the same or corresponding members are denoted by the same reference numerals, and common description is omitted.

[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。
[First Embodiment]
A decentered reflection optical system according to the first embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1A is a schematic optical path diagram illustrating the configuration of the cross section including the axial principal ray and the optical path for explaining the decentered reflection optical system according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1B is a schematic optical path diagram for explaining an example of an optical path when the moving mechanism of the decentered optical system according to the first embodiment of the present invention is operated. Note that FIGS. 1A and 1B are schematic diagrams, and illustrations of openings necessary to transmit light, member attachment portions, and the like are omitted.

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。
As shown in FIG. 1, the decentered reflection optical system 50 of the present embodiment includes a reflection mirror 1 (first reflection element), a reflection mirror 2 (second reflection element), a reflection mirror 3 (optical element), and a galvanometer mirror 4 ( An imaging optical system that includes a converging lens 5 and a condensing lens 5, and forms an image on the image plane 6 of the input light 20 that is substantially parallel light whose beam diameter is regulated by an aperture stop 10 that serves as an entrance pupil. Is forming.
Hereinafter, for convenience of explanation, directions may be expressed with reference to an XYZ rectangular coordinate system employed in numerical examples described later. In this XYZ rectangular coordinate system, the center of the aperture stop 10 is set as the origin O, the direction in which the axial principal ray 20a passing through the origin O and perpendicular to the aperture stop 10 travels is the Z-axis positive direction, and the paper surface is the YZ plane. The direction from the front to the back of the page is the X axis positive direction, and the X axis, the Z axis, and the axis constituting the right-handed orthogonal coordinate system are the Y axis.

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。
The reflection mirror 1 is a reflection optical element having a reflection surface 1a arranged eccentric or inclined with respect to the axial principal ray 20a, and is fixed to the first reflection element holding unit 11 together with the aperture stop 10.
The reflecting surface 1a has a positive power, and is a reflecting surface that reflects the input light 20 in an oblique direction with respect to the incident direction to form convergent light. The surface shape of the reflecting surface 1a is composed of an appropriate free-form surface in order to reduce decentration aberrations. For example, a rotationally asymmetric surface that is asymmetric in the tilt direction can be suitably employed.

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。
The reflection mirror 2 is a reflection optical element having a reflection surface 2 a arranged eccentric or inclined with respect to the axial principal ray 20 a reflected by the reflection mirror 1, and is fixed to the second reflection element holding unit 8. .
The reflection surface 2a has a negative power, and is a reflection surface that reflects light reflected by the reflection mirror 1 in the substantially Z-axis direction and folds the optical path. Then, the light reflected by the reflecting surface 2 a is formed as an intermediate image 12.
In a decentered reflection optical system, for example, astigmatism, coma, etc. occur as decentration aberrations due to a decentered or tilted reflecting surface, and bow-shaped or trapezoidal distortion (image distortion) peculiar to decentering aberrations. Arise. In the present embodiment, by giving negative power to the reflecting surface 2a, it is possible to correct these aberrations, and it is possible to form an intermediate image 12 with good imaging performance.
The surface shape of the reflecting surface 2a is an appropriate free-form surface in order to satisfactorily correct aberrations. For example, in order to satisfactorily correct the decentration aberration, a rotationally asymmetric surface that is asymmetric in the tilt direction can be suitably employed.

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。
The reflection mirror 3 has a positive power and is arranged eccentric or inclined with respect to the axial principal ray 20a reflected by the reflection mirror 2. The optical element forms the exit pupil 13 by reflecting light diverging after forming the intermediate image 12 in an oblique direction and converging into substantially parallel light.
Such reflection mirrors 1, 2, and 3 form a substantial afocal optical system that makes the input light 20 substantially parallel light that has been reduced in diameter.

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。
In the vicinity of the exit pupil 13, a galvanometer mirror 4 for directing the axial principal ray 20a of the light reflected by the reflection mirror 3 in a predetermined direction is provided.
The galvanometer mirror 4 is a light deflection device in which a reflection surface 4a which is a plane is rotated by a rotation control unit (not shown) so that the light reflected by the reflection mirror 3 can be incident along the optical axis of the condenser lens 5. It is an element.
The condenser lens 5 is an optical element having a positive power for forming substantially parallel light reflected by the galvanometer mirror 4 on the image plane 6.
The positions of the reflection mirror 3 and the condenser lens 5 and the rotation center position of the galvanometer mirror 4 are fixed with respect to the condenser optical system holding unit 9.

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。
The 2nd reflective element holding | maintenance part 8 and the condensing optical system holding | maintenance part 9 are installed in the 1st movement unit 7 so that it can move to a uniaxial direction and a relative distance can be varied.
In the present embodiment, the position of the second reflecting element holding unit 8 is fixed to the first moving unit 7, and the condensing optical system holding unit 9 is provided in the first moving unit 7. The movement mechanism is configured to be movable in the Z-axis direction (left-right direction in the figure).
The first moving unit 7 is coupled to the first reflecting element holding unit 11 via the second moving unit 14.
The second moving unit 14 is provided with a slider 14b that is movable in the Y-axis direction on the base 14c fixed to the first reflecting element holding portion 11, and is movable in the Z-axis direction on the slider 14b. The slider 14a is provided. Then, the first moving unit 7 can be moved in parallel with respect to the first reflecting element holding portion 11 in the YZ plane by moving the sliders 14b and 14c by an appropriate distance. And the relative distance between each can be varied.
The movement of the second moving unit 14 and the condensing optical system holding unit 9 may be manually performed, or may be automatically performed by an appropriate actuator, motor, or the like.

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。
Next, the operation of the decentered reflection optical system 50 of this embodiment will be described.
FIG. 2 is an optical path diagram of a cross section including an axial principal ray at the time of zooming of the decentered reflection optical system according to the first embodiment of the present invention. FIGS. 2A, 2B, and 2C correspond to cases where the angular magnification of the afocal optical system of the first numerical example described later is changed to 9.3, 8.5, and 7.5, respectively. To do.

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。
The decentered reflection optical system 50 translates the reflecting mirror 2 along the axial principal ray 20 a reflected by the reflecting mirror 1 to change their combined focal length, and the axial principal light reflected by the reflecting mirror 2. The position of the intermediate image 12 can be moved on the light ray 20a.
Then, the reflecting mirror 3 is moved on the axial principal ray 20a reflected by the reflecting mirror 2 so that the relative distance from the intermediate image 12 is not changed. Thereby, the divergent light after forming the intermediate image 12 can be converged by the reflecting mirror 3 to be substantially parallel light. Further, the exit pupil 13 is formed by the substantially parallel light.
At this time, since the combined focal length of the reflection mirrors 1 and 2 forming the intermediate image 12 is varied, the angular magnification of the afocal optical system is varied.
For example, from the state of FIG. 2A, the reflecting surface 2a is moved along the axial principal ray 20a reflected by the reflecting mirror 1 in the illustrated arrow direction (Y-axis negative direction and Z-axis negative direction). .
At this time, as shown in FIG. 2B, since the negative power of the reflection mirror 2 acts at a position further away from the reflection mirror 1, the combined focal length by the reflection mirrors 1 and 2 becomes small. Therefore, the intermediate image 12 is formed as an image having a smaller image height at a position closer to the reflection mirror 2 by moving in the negative Z-axis direction in the figure. For this reason, the divergence angle of the light diverging from the intermediate image 12 increases, the light beam diameter on the reflection surface 3a separated by a predetermined distance increases, and the light beam diameter of substantially parallel light formed by the reflection surface 3a increases. Therefore, the angular magnification is reduced and the exit pupil diameter is increased.
Further, as shown in FIG. 2C, when the reflecting mirror 2 is further moved, the tendency becomes remarkable.

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。
When the image side NA is NA IM , the following relationship exists between the focal length f of the imaging optical system constituted by the condenser lens 5 and the exit pupil diameter d formed by the afocal optical system.
NA IM ≒ (d / 2) / f (1)
Here, since the focal length f is fixed, the image-side NA can be changed by making the exit pupil diameter of the afocal optical system variable.
For example, when an optical fiber is installed on the image plane, the optical fiber has a unique NA. However, by making the image-side NA smaller than the NA of this optical fiber, it is possible to eliminate the light loss due to the NA of the optical fiber. , The coupling efficiency can be improved. Therefore, by setting the exit pupil diameter of the afocal optical system so as to obtain the optimum image-side NA according to the installed optical fiber, an optical system with high coupling efficiency can be set for various optical fibers. Is possible.
For example, in the configuration as in the first numerical example described later, the image side NA is set to 0.135 to 0.168 by changing the angular magnification at the exit pupil in the range of 9.3 to 7.5. An eccentric reflection optical system that can be varied (when the focal length of the condenser lens 5 is 12 mm) can be realized.

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。
Needless to say, the focal length of the condenser lens 25 may be changed in order to change the image side NA. However, when changing the focal length of the condensing lens 25, if the lens is replaced, alignment to the image plane 6 is required. If a zoom optical system is employed, the number of lenses increases and the amount of light decreases accordingly. In the case of changing only with the afocal optical system, there is an advantage that such a problem does not occur at all.
In addition, if the change of the angular magnification of the afocal optical system and the change of the focal length of the condenser lens 25 are used in combination, there is an advantage that the variable range of the image side NA can be easily expanded.

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。
The reflection mirror 2 is moved by moving the first moving unit 7 using the second moving unit 14. The reflection mirror 3 is moved by moving the condensing optical system holding unit 9 in the first moving unit 7. Therefore, the reflecting mirror 3, the galvanometer mirror 4, and the condenser lens 5 are moved while maintaining their relative positional relationship.
Therefore, even if the condensing optical system holding unit 9 is moved, the image of the input light 20 is formed on the image plane 6. When the incident angle of view of the input light 20 changes, the reflected light from the reflection mirror 3 is reflected in the direction along the optical axis of the condenser lens 5 by rotating the galvanometer mirror 4, and on the image plane 6. An image can be formed at a certain position.

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。
Next, a modification of this embodiment will be described.
FIG. 3A is a schematic optical path diagram illustrating the configuration of the cross section including the axial principal ray and the optical path for explaining the decentered reflection optical system according to the modification of the first embodiment of the present invention. FIG. 3B is a schematic optical path diagram for explaining an example of an optical path when the moving mechanism of the decentered optical system according to the modification of the first embodiment of the present invention is operated. 3A and 3B are schematic diagrams, and illustration of openings necessary for light to pass through and attachment portions of members is omitted.

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。
The decentered reflection optical system 51 of the present modification uses a lens as the optical element of the above embodiment, and the reflection mirror 1, the reflection mirror 2, the reflection mirror 3, and the light collection of the decentered reflection optical system 50 of the present embodiment. Instead of the lens 5, a reflection mirror 21 (first reflection element), a reflection mirror 22 (second reflection element), and a condenser lens 23 (optical element) are provided.
The reflection mirror 21 and the reflection mirror 22 are disposed in substantially the same manner as the reflection mirror 1 and the reflection mirror 2, and reflection surfaces 21a and 22a each having a free curved surface having positive and negative powers are formed. The surface shapes of the reflecting surfaces 21a and 22a are set to shapes for optimizing the aberrations of the entire optical system. The intermediate mirror 12 is formed on the optical path between the reflecting mirror 22 and the condenser lens 23 by these reflecting mirrors.
The condenser lens 23 is a biconvex lens having positive power, and the convex surfaces 23a and 23b are each formed of an aspherical surface. And it arrange | positions at the condensing optical system holding | maintenance part 9 so that the axial principal ray 20a reflected by the reflective mirror 22 and an optical axis may correspond. Therefore, the focal position of the condensing lens 23 can be made to coincide with the intermediate image 12 by moving the position of the condensing optical system holding unit 9 within the first moving unit 7. Thereby, the divergent light after forming the intermediate image 12 can be made substantially parallel light. That is, the reflection mirrors 21 and 22 and the condenser lens 23 constitute a substantial afocal optical system.

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。
The light made substantially parallel by the condenser lens 23 forms an exit pupil 13 at a substantially rear focal position of the condenser lens 23. Then, the optical path is bent in the direction along the optical axis of the condenser lens 25 by the galvanometer mirror 4 disposed in the vicinity of the exit pupil 13. In this modification, the optical axis of the condenser lens 25 is arranged in a direction substantially along the Y-axis direction.
The condensing lens 25 condenses the substantially parallel light reflected by the galvanometer mirror 4 and guides it to the image plane 6.

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。
According to this modification, since the condensing lens 23 is used in place of the reflecting mirror 3, the optical path in the condensing optical system holding unit 9 is different from the above embodiment, but has the same functions and effects as the above embodiment. .
FIG. 4 is an optical path diagram of a cross section including the axial principal ray at the time of zooming of the decentered reflection optical system of this modification. 4 (a), 4 (b), and 4 (c) correspond to cases where the angular magnification of the afocal optical system of the second numerical example described later is changed to 9.9, 7.7, and 6.8, respectively. To do.
For example, in the configuration as in the second numerical example described later, the image side NA is changed from 0.064 to 0.086 by changing the angular magnification at the exit pupil in the range of 9.9 to 6.8. An eccentric reflection optical system that can be varied (when the focal length of the condenser lens 25 is 20 mm) can be realized.

[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。
[Second Embodiment]
A decentered reflection optical system according to the second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 5 is a schematic optical path diagram illustrating the configuration of the cross section including the axial principal ray and the optical path for explaining the decentered reflection optical system according to the second embodiment of the present invention. The XYZ rectangular coordinate system in the figure is a coordinate system defined in the same manner as in the first embodiment.

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。
As shown in FIG. 5, the decentered reflection optical system 52 of this embodiment replaces the reflection mirrors 1, 2, and 3 and the condenser lens 5 of the decentered reflection optical system 50 of the first embodiment with a reflection mirror 60 ( A first reflecting element, a reflecting mirror 61 (second reflecting element), a reflecting mirror 62 (optical element), and a condenser lens 64, which are substantially parallel light beams whose diameter is regulated by an aperture stop 10 serving as an entrance pupil. The input light 20 is configured to form an image on the image plane 6. The reflection mirrors 60, 61, and 62 constitute a substantial afocal optical system.
Since the reflection mirrors 60, 61, 62, and the condenser lens 64 have the same configuration as in the first embodiment, description thereof is omitted. The second embodiment is different from the first embodiment in that a moving mechanism 70 is provided in each of the reflection mirrors 60, 61, and 62. Reference numeral 32 denotes a rotation control unit for rotating the galvanometer mirror 4.

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。   The moving mechanism 70 is a mechanism for changing the arrangement position and posture of each of the reflecting mirrors 60, 61, 62 by independently enabling at least one of parallel movement and rotational movement. And if necessary, it can be translated and rotated in appropriate directions. For example, parallel movement in the Y-axis and Z-axis directions and rotational movement about the X-axis center are possible.

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。
Such a moving mechanism 70 can be appropriately configured by combining various stage mechanisms, for example. Hereinafter, such a configuration example will be briefly described.
FIGS. 6A, 6 </ b> B, 6 </ b> C, and 6 </ b> D- 1 are front explanatory views for explaining an example of a moving mechanism for constituting such a moving mechanism 70. FIG. 6 (d-2) is a side view of FIG. 6 (d-2).

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。
The biaxial stage 66 (see FIG. 6A) is a mechanism for moving the reflecting surface 65 in the biaxial directions perpendicular to each other by the feed mechanisms 66a and 66b. As the feed mechanisms 66a and 66b, a mechanical stage, an actuator, or the like can be employed.
The tilting stage 67 (see FIG. 6B) is configured to change the tilting angle of the stage 67b with respect to the base 67c by the feed mechanism 66a, so that the reflecting surface 65 provided on the stage 67b is centered on an axis orthogonal to the paper surface. It can be rotated.
The single-axis moving tilt stage 68 (see FIG. 6C) has a tilt mechanism 68a provided on a single-axis feed mechanism 68b movable in the vertical direction in the figure, and a reflecting surface 65 provided on the tilt mechanism 68a. It is. As the tilting mechanism 68a, for example, a goniostage mechanism having an arcuate sliding surface can be adopted.
The uniaxially moving tilt stage 69 is a mechanism in which a tilt table 69b that holds the reflecting surface 65 is held by four actuators 69a that can be independently driven on the support table 69c. Then, by varying the drawing amount of the actuator 69a in the illustrated horizontal direction, the reflecting surface 65 can be translated in the illustrated horizontal direction, and the tilt angle can be varied.

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。
According to the decentered reflecting optical system 52 of the present embodiment, the reflecting mirrors 60, 61, 62 can be independently translated or rotated by the moving mechanism 70, so that each reflecting surface can be moved. Even if there is an arrangement error, the position can be corrected by the moving mechanism 70. Therefore, the imaging performance on the image plane can be improved, and the image position and pupil position can be changed.
Further, the position of the intermediate image 12 is moved by the moving mechanism 70... And the reflecting mirror 62 is moved in accordance with the position of the intermediate image 12, so that the angular magnification of the afocal optical system can be increased as in the first embodiment. It can also be varied. Moreover, it can also employ | adopt as the moving unit attachment part of each reflective mirror of 1st Embodiment.

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。   As described above, according to the present embodiment, the positional relationship of the optical elements in the decentered reflection optical system 52 can be corrected or adjusted by the moving mechanism 70. In the case of incorporating into other devices, the position of the image plane 6 and the image side NA are adjusted in accordance with the device, and the emitted light from the decentered reflection optical system 52 can be coupled to the device side with high efficiency. .

[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。
[Third Embodiment]
An optical system according to the third embodiment of the present invention will be described. The optical system of the present embodiment is an optical system using the decentered reflection optical system according to the first and second embodiments of the present invention, and can be used as, for example, a spatial optical communication device having a light capturing and tracking function. It is. Such a device can be easily configured as a device capable of transmitting and receiving light by providing a light source and sharing the eccentric reflection optical system for light transmission and reception, but for the sake of simplicity, only the light receiving device portion will be described below. To do.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view for explaining a schematic configuration of an example of an optical system according to the third embodiment of the present invention.

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。
An optical tracking device 100 (optical system) according to a third embodiment of the present invention will be described. The optical tracking device 100 is a device that transmits and receives substantially parallel input light so that it can be tracked, and can be suitably used particularly in the field of spatial light communication.
The schematic configuration of the light receiving device portion of the light tracking device 100 includes a housing 36, an eccentric reflection optical system 51, a direction deviation detection means 33, a rotation control unit 32, a tracking table 35, a rough tracking control unit 34, and a light receiving unit 31. .

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。
The housing 36 is a member that serves as both a holding member and an exterior member that integrally hold members described later, and has an appropriate shape such as a box shape. An aperture stop 10 that is an opening serving as an entrance pupil of the input light 20 is provided on a part of the outer surface.
The aperture stop 10 may be formed as a separate member from the housing 36 and does not need to be provided strictly on the outer surface of the housing 36. For example, a hood or the like that prevents the incidence of flare light may be provided around the aperture stop 10. Moreover, the aperture stop 10 should just be opened optically, for example, may be covered with the cover glass etc. which permeate | transmit the wavelength light required for condensing.

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。
The decentered reflection optical system 51 is a decentered reflection optical system according to a modification of the first embodiment. Although not shown in FIG. 7, the first moving unit 7 and the second moving unit 14 as shown in FIG. 3 are provided, and the angular magnification of the afocal optical system can be varied.
Between the reflecting surface 22a and the intermediate image 12, a beam splitter 26 for branching the optical path of the light reflected by the reflecting surface 22a is provided, and the incident direction of the input light 20 is at a position substantially conjugate with the intermediate image 12. A position detector 27 for detecting the deviation is provided.
As the position detector 27, for example, a position detection sensor capable of detecting a light receiving position, such as a CCD, PSD, or quadruple PD, can be employed.
The beam splitter 26 and the position detector 27 are fixed to the second reflecting element holding unit 8 shown in FIG. 3, and the position detector 27 follows the position of the intermediate image 12 that changes as the reflecting mirror 22 moves. Thus, the light receiving surface can be moved.

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。
Between the galvanometer mirror 4 and the condenser lens 25, a beam splitter 28 for branching the optical path of substantially parallel light is provided.
As the beam splitters 26 and 28, for example, a beam splitter prism, a half mirror, a polarizing beam splitter (PBS) that branches an optical path according to polarization characteristics, an optical element that branches an optical path according to wavelength characteristics, or the like can be adopted. .

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。
A condensing lens 29 having a positive power is disposed on the optical path of the light branched by the beam splitter 28 so that it can be condensed on the position detector 30 with a predetermined light beam diameter.
The position detector 30 is for detecting the direction shift of the substantially parallel light reflected by the galvanometer mirror 4. For example, a position detection sensor that can detect the light receiving position, such as a CCD, PSD, or quadruple PD, can be employed. .
The beam splitter 28, the condensing lens 29, and the position detector 30 are fixed to the condensing optical system holding unit 9 shown in FIG. 3, and maintain the positional relationship with respect to the condensing lens 23, the galvano mirror 4, and the condensing lens 25. Can move.

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。
The direction deviation detection means 33 is for converting the detection output detected by the position detectors 27 and 30 as the position deviation of the light receiving position-of the light beam into the direction deviation amount of the incident light, and performing light tracking control.
That is, the detection output sent from the position detector 27 is converted into a direction deviation amount, and a control signal for moving the housing 36 to eliminate the direction deviation is sent to the coarse tracking control unit 34. Tracking control is performed, the detection output sent from the position detector 30 is converted into a direction deviation amount, and a control signal for rotating the galvanometer mirror 4 is sent to the rotation control unit 32 in order to eliminate the direction deviation. Thus, it is possible to perform fine tracking control.

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。
The tracking base 35 is a moving mechanism that holds the housing 36 so that the posture can be controlled in two axial directions, and the tilt driving portion 35a and the horizontal rotation driving portion 35b are held on the support base 35c.
The horizontal rotation driving unit 35b and the tilt driving unit 35a are capable of rotating around a vertical axis and rotating at a predetermined angle around the horizontal axis, respectively, and a mechanism such as a control motor (not shown) that controls each rotation angle. Driven by. Each rotation angle is controlled by a control signal from the coarse tracking control unit 34.
The rough tracking control unit 34 is a unit for calculating a rotational drive amount of the tilt drive unit 35a and the horizontal rotation drive unit 35b based on a control signal generated by the direction deviation detection unit 33 and performing a predetermined rotational drive. .

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。   The light receiving unit 31 is for transmitting the light imaged on the image plane 6 of the decentered reflection optical system 51 to the outside of the apparatus. In this embodiment, the light receiving unit 31 is a fiber end face of an optical fiber connected to the outside of the apparatus. is there.

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。
According to the light receiving device portion of the light tracking device 100 of the present embodiment, the input light 20 enters the aperture stop 10 if the incident direction of the input light 20 is in an appropriate range. The input light 20 has a larger light beam diameter than the aperture stop 10, and the aperture stop 10 is positioned inside the light beam diameter even if the incident angle of view fluctuates in a normal use range. Therefore, the input light 20 incident on the aperture stop 10 follows the optical path in the decentered reflection optical system 51, forms an image on the image plane, and is coupled to the light receiving unit 31.
Then, the light branched by the beam splitter 28 is received by the position detector 30 to detect the position. The direction deviation detection means 33 detects the direction deviation of the light reflected by the galvanometer mirror 4 based on the detection signal of the position detector 30 so that the reflected light enters along the optical axis of the condenser lens 25. A control signal is sent to the fine tracking control unit 32. Thereby, the rotation angle of the galvanometer mirror 4 is controlled, and fine tracking control is performed so that the reflected light is imaged at a certain position on the light receiving surface of the light receiving unit 31.
If the position detector 27 detects a change in the angle of view of the input light 20, a control signal is sent from the direction deviation detection means 33 to the coarse tracking control unit 34, and the attitude of the tracking table 35 is set to the position of the input light 20. Controlled in the incident direction (coarse tracking).
In this way, the input light 20 is optically tracked, and the input light 20 is received by the light receiving unit 31. Therefore, even when the light receiving unit 31 has a light receiving surface that is extremely thin with a core diameter of, for example, 10 μm or less, stable light reception can always be performed.

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。
In this embodiment, since the angular magnification of the afocal optical system included in the decentered reflection optical system 51 can be varied, the image-side NA can be varied as appropriate to make it smaller than the NA of the light receiving unit 31, so that there is no light loss. The input light 20 can be imaged on the light receiving unit 31.
Therefore, for example, when a plurality of light receiving units 31 are prepared so that the coupling destination of the input light 20 can be changed, even if the fiber NA of the light receiving unit 31 is different, the image side NA can be varied according to each, Highly efficient optical coupling can be performed for any coupling destination.

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。   In the above description of the third embodiment, the light receiving device portion of the optical tracking device 100 has been described. However, the light transmitting device portion includes, for example, a light source that generates substantially parallel light transmission light, and light transmission light. Can be easily configured by providing a beam splitter on the optical path between the condenser lens 25 and the beam splitter 28 for synthesizing the beam on the axial principal ray of the decentered reflection optical system 51. In this case, the eccentric reflection optical system 51 also serves as a light transmission optical system for expanding the diameter of the light transmission light.

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。   In the description of the third embodiment, the light receiving device of the optical system is described as an example of the light receiving device portion of the spatial light communication device. However, the optical system is not limited to the spatial light communication device. For example, any light receiving device for focusing on the focal plane, such as a telescope or optical information recording, may be used. For example, even in a spatial light communication device, by using the light receiving unit 31 as a light receiving unit of the fine tracking position detector 30, the light receiving device portion is used only for the fine tracking mechanism, and the optical communication is performed only by the light transmitting device portion. By performing, a light transmission device with a tracking function may be configured.

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。   In the description of the third embodiment, the example of the optical system using the decentered reflection optical system according to the modification of the first embodiment has been described. However, the decentered reflection optical system according to the first and second embodiments. If so, other configurations may be employed, and in that case, an optical system having the effects of the respective embodiments can be obtained.

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。   In the above description, the first and second reflection elements are reflection mirrors having positive and negative powers. However, the reflection type diffractive optical element (DOE) and the reflection type holographic optical element (HOE) are described. ) Or the like may be used.

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。
In the above description, the example in which the substantial afocal optical system includes the first and second reflective elements has been described. However, the substantial afocal optical system is substantially an afocal optical system, and includes a plurality of reflective surfaces having power. As long as it is a thing, it will not be limited to such a structure.
In the above description, the example in which the exit pupil is formed by providing an optical element having a positive power on the image side of the second reflecting element has been described, but the present invention is limited to such a configuration. is not.

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r、d(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d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。
Next, a first numerical example of the decentered reflection optical system according to the first embodiment described above will be described with reference to FIG.
The constituent parameters of the optical system of the first numerical example are shown below. R i and d i (i is an integer) shown in FIG. 2A correspond to the radius of curvature and the surface separation d i of the constituent parameters of the optical system shown below.
Here, the coordinate system and free-form surface formula used below will be described.
As shown in FIG. 2A, the coordinate system is a ray tracing from the object side toward the aperture stop 10 and the reflecting mirror 3, and the incident side optical axis is the aperture that forms the stop surface of the axial principal ray 20a. It is defined as a light beam orthogonal to the center of the diaphragm 10 and directed to the reflection mirror 3. In the ray tracing, the center of the aperture stop 10 is set as the origin O of the decentered optical surface of the decentered reflection optical system 50 (however, the coordinate axis shown in the drawing is shifted from the origin position in order to avoid overlapping with the optical path), and the incident side light. The direction along the axis is the Z-axis direction, the direction from the object side toward the aperture stop 10 of the decentered optical system is the Z-axis positive direction, the paper surface is the YZ plane, and the direction from the front to the back of the paper surface is the X-axis positive. The direction is the X axis, the Z axis, and the axis constituting the right-handed orthogonal coordinate system is the Y axis.

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。
Inclination angles are assumed to be α, β, and γ centered on the X, Y, and Z axes, respectively. The positive of the inclination angles α and β are opposite to the positive directions of the X and Y axes, respectively. The clockwise rotation is defined as the clockwise angle with respect to the positive direction of the Z axis.
When each optical working surface is represented by a coordinate system, the axial principal ray 20a is traced forward in the direction from the object toward the image plane, and the point where the optical acting surface and the axial principal ray 20a intersect is used as the origin. This is expressed in a local coordinate system in which the Y and Z axes are rotated so that the Z axis is coincident with the axial principal ray 20a while keeping the axis perpendicular to the paper surface.
Note that the α, β, and γ rotations of the central axis of the surface are performed by first rotating the central axis of the surface and its XYZ orthogonal coordinate system by α counterclockwise around the X axis, and then rotating the rotation. The center axis of the surface is rotated β counterclockwise around the Y axis of the new coordinate system, and the coordinate system rotated once is also rotated β counterclockwise around the Y axis and then rotated twice. The center axis of the surface is rotated γ clockwise around the Z axis of the new coordinate system.

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。
The shape of the rotationally asymmetric curved surface used in the present embodiment is expressed by, for example, a free curved surface formula defined by the following formula (a). The Z axis of the formula (a) is the axis of the free curved surface.
Here, the first term of the equation (a) is a spherical term, and the second term is a free-form surface term. In the spherical term, R is the paraxial radius of curvature of the apex, k is the conic constant (conical constant), and r = √ (X 2 + Y 2 ).

自由曲面項は、
ただし、C(jは1以上の整数)は係数である。
The free-form surface term is
However, C j (j is an integer of 1 or more) is a coefficient.

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。 In general, the free-form surface does not have a symmetric surface in both the XZ plane and the YZ plane, but in this embodiment, by setting all odd-numbered terms of X to 0, This is a free-form surface having only one parallel symmetry plane. For example, in the above defining equation (a), C 2, C 5, C 7, C 9, C 12, C 14, C 16, C 18, C 20, C 23, C 25, C 27, C 29, This is possible by setting the coefficient of each term of C 31 , C 33 , C 35 .

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。
In addition, the aspheric surface used in the present embodiment is a rotationally symmetric aspheric surface given by the following definition formula (b).
Here, h = √ (X 2 + Y 2 ), c is the paraxial radius of curvature of the apex, k is the conic constant (conical constant), A, B, C, D,. 8th, 10th,... Aspherical coefficients. The Z axis of this defining formula is the axis of a rotationally symmetric aspherical surface.
In the eccentric display, α, β, and γ indicate angles in the direction described above as the directions of the inclination angles. The unit of length is (mm), and the unit of angle is (°). In addition, the origin of the eccentricity and the center of rotation are appropriately noted in the data.
A free-form surface (FFS surface) and an aspheric surface are given by the above-described equation (a). Note that terms relating to free-form surfaces and aspheric surfaces for which no data is described are zero.

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]
4 -3.8092x10-36 -3.4297x10-38 8.0193x10-6
10 7.1693x10-611 -8.2051x10-913 -2.3187x10-8
15 -7.8537x10-9
FFS[2]
4 -8.3015x10-36 -7.4334x10-38 7.3943x10-5
10 6.2105x10-511 2.0113x10-613 4.2940x10-6
15 3.2207x10-6
FFS[3]
4 -1.2857x10-26 -1.2473x10-28 -1.1496x10-4
10 -1.1743x10-411 8.9483x10-813 -4.5646x10-6
15 -9.2413x10-617 -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 Z
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
Surface number Curvature radius Surface spacing Eccentricity Refractive index Abbe number Object surface ∞ ∞
1 Diaphragm surface d 1 = 40.00
2 FFS [1] d 2 = 0.00 Eccentricity [1]
3 ∞ d 3 (Zoom) Eccentric [2]
4 FFS [2] d 4 = 0.00 Eccentricity [3]
5 ∞ d 5 = 0.00 Eccentricity [4]
6 FFS [3] d 6 = 0.00 Eccentricity [5]
7 ∞ d 7 = 0.00 Eccentricity [6]
8 ∞ d 8 = 5.00 Eccentricity [7]
9 f12 ideal lens d 9 = 12.00
Image plane ∞ d 10 = 0.00

FFS [1]
C 4 -3.8092x10 -3 C 6 -3.4297x10 -3 C 8 8.0193x10 -6
C 10 7.1693x10 -6 C 11 -8.2051x10 -9 C 13 -2.3187x10 -8
C 15 -7.8537x10 -9
FFS [2]
C 4 -8.3015x10 -3 C 6 -7.4334x10 -3 C 8 7.3943x10 -5
C 10 6.2105x10 -5 C 11 2.0113x10 -6 C 13 4.2940x10 -6
C 15 3.2207x10 -6
FFS [3]
C 4 -1.2857x10 -2 C 6 -1.2473x10 -2 C 8 -1.1496x10 -4
C 10 -1.1743x10 -4 C 11 8.9483x10 -8 C 13 -4.5646x10 -6
C 15 -9.2413x10 -6 C 17 -1.0209x10 -8
Eccentric [1]
X 0.00 Y 0.00 Z 0.00
α 18.01 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [2]
X 0.00 Y 0.00 Z 0.00
α 36.02 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [3]
X 0.00 Y -0.02 Z 0.32
α -18.06 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [4]
X 0.00 Y y 1 (Zoom) Z z 1 (Zoom)
α -18.01 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [5]
X 0.00 Y 0.00 Z 19.94
α 15.32 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [6]
X 0.00 Y -12.75 Z -1.57
α a 1 (Zoom) β 0.00 γ 0.00
Eccentric [7]
X 0.00 Y -12.75 Z 18.43
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
ZOOM DATA
Zoom position Z a Z b Z c
Face interval d 3 -50.00 -51.20 -53.00
Eccentric [4] y 1 -15.45 -13.20 -10.53
Eccentric [4] z 1 47.42 40.64 32.36
Eccentric [6] a 1 15.36 15.31 15.34

ここで、ズーム位置Z、Z、Z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 Z
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
Here, the zoom positions Z a , Z b , and Z c indicate surface intervals and eccentricities corresponding to the positional relationships in FIGS. 2 (a), (b), and (c), respectively. When the configuration parameters are varied as in these ZOOM DATA, the exit pupil diameter, angular magnification, and image side NA are as follows. However, the angular magnification and the image side NA indicate values in the Y-axis direction. Further, when calculating the image side NA, it is calculated that an ideal lens having a focal length f = 12 mm is arranged corresponding to the condenser lens 5.
Zoom position Z a Z b Z c
Exit pupil diameter φ3.27 φ3.59 φ4.04
Angular magnification (Y) 9.3 8.5 7.5
Image side 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r、d、n(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d、屈折率n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。
Next, a second numerical example corresponding to the modified example of the decentered reflection optical system of the first embodiment described above will be described with reference to FIG.
The constituent parameters of the optical system of the second numerical example are shown below. R i , d i , and n i (i is an integer) shown in FIG. 3A correspond to the radius of curvature, the surface interval d i , and the refractive index n i of the following configuration parameters of the optical system. The refractive index is shown for d-line (wavelength 587.56 nm). The coordinate system and others are the same as in the first embodiment.

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]
4 -2.6012x10-36 -2.3721x10-38 5.2657x10-6
10 4.7703x10-611 -7.2125x10-913 -1.8918x10-8
15 -1.5547x10-868 7.0000x10-1
FFS[2]
4 -6.1697x10-36 -5.6068x10-38 5.4946x10-5
10 4.7946x10-511 6.9109x10-713 1.5606x10-6
15 7.7369x10-868 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 Z
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
Surface number Curvature radius Surface spacing Eccentricity Refractive index Abbe number Object surface ∞ ∞
1 Diaphragm surface d 1 = 28.00
2 FFS [1] d 2 = 0.00 Eccentricity [1]
3 ∞ d 3 (Zoom) Eccentric [2]
4 FFS [2] d 4 = 0.00 Eccentricity [3]
5 ∞ d 5 = 0.00 Eccentricity [4]
6 Aspherical surface [1] d 6 = 2.10 Eccentricity [5] n 1 = 1.5163 ν 1 = 64.1
7 Aspherical surface [2] d 7 = 18.75
8 ∞ d 8 = 5.00
9 f20 ideal lens d 9 = 20.00 Eccentricity [6]
Image plane ∞ d 10 = 0.00

Aspherical [1]
Curvature radius 13.58
k 0.00
A -8.0354x10 -4 B 9.4459x10 -5 C -1.6708x10 -6
Aspherical [2]
Radius of curvature -17.36
k 0.0
A -6.2668x10 -4 B 9.4619x10 -5 C -1.5552x10 -6
FFS [1]
C 4 -2.6012x10 -3 C 6 -2.3721x10 -3 C 8 5.2657x10 -6
C 10 4.7703x10 -6 C 11 -7.2125x10 -9 C 13 -1.8918x10 -8
C 15 -1.5547x10 -8 C 68 7.0000x10 -1
FFS [2]
C 4 -6.1697x10 -3 C 6 -5.6068x10 -3 C 8 5.4946x10 -5
C 10 4.7946x10 -5 C 11 6.9109x10 -7 C 13 1.5606x10 -6
C 15 7.7369x10 -8 C 68 7.0000x10 -1
Eccentric [1]
X 0.00 Y 0.00 Z 0.00
α 17.21 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [2]
X 0.00 Y 0.00 Z 0.00
α 34.43 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [3]
X 0.00 Y -0.08 Z -0.18
α -17.57 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [4]
X 0.00 Y y 1 (Zoom) Z z 1 (Zoom)
α -17.21 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [5]
X 0.00 Y 0.00 Z 15.32
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [6]
X 0.00 Y 0.00 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
ZOOM DATA
Zoom position Z a Z b Z c
Face interval d 3 -34.92 -36.87 -38.02
Eccentric [4] y 1 -13.17 -8.72 -6.93
Eccentric [4] z 1 42.42 28.19 22.45

ここで、ズーム位置Z、Z、Z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 Z
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
Here, the zoom positions Z a , Z b , and Z c indicate surface intervals and eccentricities corresponding to the positional relationships in FIGS. 4A , 4B , and 4C, respectively. When the configuration parameters are varied as in these ZOOM DATA, the exit pupil diameter, angular magnification, and image side NA are as follows. However, the angular magnification and the image side NA indicate values in the Y-axis direction. In calculating the image side NA, it is calculated that an ideal lens having a focal length f = 20 mm is arranged corresponding to the condenser lens 25.
Zoom position Z a Z b Z c
Exit pupil diameter φ2.4 φ3.1 φ3.5
Angular magnification (Y) 9.9 7.7 6.8
Image side NA (Y) 0.064 0.077 0.086

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およびそ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。FIG. 1 is a cross-sectional configuration including an axial principal ray for explaining the decentered reflection optical system according to the first embodiment of the present invention, a schematic optical path diagram for explaining the optical path, and an example of an optical path when the moving mechanism is operated. It is a schematic optical path diagram for demonstrating. 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。It is an optical path figure of a section containing an axial principal ray at the time of zooming of a decentered reflective optical system concerning a 1st embodiment of the present invention. 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およびそ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。The cross-sectional structure including the axial principal ray for explaining the decentered reflection optical system according to the modification of the first embodiment of the present invention, the schematic optical path diagram explaining the optical path, and the optical path when operating the moving mechanism It is a model optical path diagram in order to demonstrate an example of. 本発明の第1の実施形態の本変形例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。It is an optical path figure of a section containing an axial principal ray at the time of zooming of a decentered reflective optical system concerning this modification of a 1st embodiment of the present invention. 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。It is a schematic optical path diagram explaining the structure and optical path of the cross section containing an axial principal ray for demonstrating the eccentric reflection optical system which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係る移動機構の例について説明するための正面説明図および側面説明図である。It is front explanatory drawing and side explanatory drawing for demonstrating the example of the moving mechanism which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 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ための模式説明図である。It is a schematic explanatory drawing for demonstrating the optical system which concerns on the 3rd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

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)
1, 21, 60 Reflective mirror (first reflective element)
1a, 2a, 3a, 21a, 22a, 60a, 61a, 62a Reflecting surface 2, 22, 61 Reflecting mirror (second reflecting element)
3, 62 Reflection mirror (optical element)
4 Galvano mirror (turnable reflective surface)
5, 25, 64 Condensing lens 6 Image plane 7 First moving unit 8 Second reflecting element holding unit 9 Condensing optical system holding unit 10 Aperture stop 11 First reflecting element holding unit 12 Intermediate image 13 Exit pupil 14 Second movement Unit 20 Input light 23 Condensing lens (optical element)
26, 28 Beam splitters 27, 30 Position detector 31 Light receiving unit 32 Rotation control unit 33 Direction deviation detecting means 34 Coarse tracking control unit 35 Tracking table 50, 51, 52 Eccentric reflection optical system 70 Moving mechanism 100 Optical tracking device (optical) system)

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。
A decentered reflection optical system having a substantially afocal optical system that forms an intermediate image using substantially parallel light as input light,
A plurality of reflective surfaces having power, which are arranged eccentrically or inclined, and at least one of the reflective surfaces is provided with a moving mechanism that varies at least one of the amount of eccentricity and the amount of inclination of the reflective surface. An eccentric reflection optical system characterized by that.
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。
The afocal optical system is
A first reflective element having a positive power, which is arranged eccentric or inclined with respect to the axial principal ray of the input light;
2. The eccentricity according to claim 1, further comprising a second reflecting element having a negative power and arranged eccentrically or inclined with respect to the axial principal ray reflected by the first reflecting element. Reflective optical system.
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。
The afocal optical system is
An optical element having positive power on the image side of the second reflecting element;
The intermediate image is formed between the second reflective element and the optical element, and an exit pupil is formed by the optical element;
The moving mechanism is
The decentered reflection according to claim 2, wherein at least two of the first reflective element, the second reflective element, and the optical element are configured to translate in a predetermined direction. Optical system.
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。
The moving mechanism is
A first moving unit that holds the second reflecting element and the optical element so as to be relatively movable along the axial principal ray of the optical path between the second reflecting element and the optical element;
4. The decentered reflection optical system according to claim 2, comprising the first moving unit or the second moving unit that holds the first reflecting element so as to be relatively movable in parallel. 5.
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。   5. The decentered reflection optical system according to claim 1, wherein a pupil diameter and angular magnification of an exit pupil of the afocal optical system can be varied by the moving mechanism. 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。   6. The decentered reflection optical system according to claim 1, wherein a rotatable reflection surface is provided in the vicinity of an exit pupil of the afocal optical system. 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。
An optical system including a light receiving device that receives at least substantially parallel light from outside as input light,
An optical system, wherein the light receiving device includes the decentered reflection optical system according to claim 1.
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