JP2018512620A - 広視野を有する反射望遠鏡 - Google Patents

Abstract

望遠鏡システムに対してより広いＦＯＶを提供するためのシステムおよび方法が開示される。一実施形態では、望遠鏡は、オリフィスを有する一次ミラーを含み、そこでは光路が一次ミラーの前面で位置決めされた物体から生じ、一次ミラーに反射する。二次ミラーは、一次ミラーに隣接して配設され、そこでは光路は二次ミラーに反射し、一次ミラー内のオリフィスを通過する。望遠鏡は、光路に沿って配設された一組の拡張視野補正光学素子を含んでおり、拡張視野補正光学素子は二次ミラーからの入射光を反射するように位置決めされ、そこでは拡張視野補正光学素子の組は２つの補正ミラーを備える。三次ミラーは、光路に沿って、かつ拡張視野補正光学素子に隣接して配設され、三次ミラーは拡張視野補正光学素子からの入射光を反射するように位置決めされる。【選択図】図２

Description

関連出願の相互参照
[0001]本出願は、２０１５年３月２７日に出願された「Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ Ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ ｗｉｔｈ Ｗｉｄｅ Ｆｉｅｌｄ ｏｆ Ｖｉｅｗ」と題する米国仮特許出願第６２／１３９，４８４号の優先権を主張し、この内容全体はあらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれるものとする。

[0002]宇宙ベースの望遠鏡は、防衛産業および商用宇宙産業などの様々な産業で利用されている。宇宙ベースの望遠鏡は、地球の表面を観測および／または測定しながら地球の周りを回っている。

[0003]宇宙ベースの望遠鏡における進展にもかかわらず、広視野を有する望遠鏡に関連する改良された方法およびシステムが当該技術分野において求められている。

[0004]本開示は、一般に宇宙ベースの結像システムに関し、詳細には広視野（ＦＯＶ）を有する宇宙ベースの望遠鏡システムに関する。本発明は、広範な適用性を有し、地上ベースの結像システムおよび望遠鏡にも適用可能である。

[0005]本発明の実施形態は、望遠鏡システムに対してより広いＦＯＶを提供するシステムおよび方法に関する。一実施形態では、本システムは、複数のミラーを有するアフォーカル望遠鏡を含む。複数のミラーは、一組の視野補正光学素子を含んでおり、これは二次ミラーからの入射光を反射するように位置決めされる、広視野を達成することを可能にするのに必要な程度まで光学収差を低減することを目的とする。入射光は、拡張視野補正光学素子の組で反射される前に一次ミラー内のオリフィスを通過する。本発明は、商用の宇宙システム、ならびに宇宙ベースおよび地上ベースの両方の軍事偵察システムへの広範な適用性を有する。

[0006]本発明の一実施形態によれば、望遠鏡は、オリフィスを有する一次ミラーを含み、そこでは光路が一次ミラーの前面で位置決めされた物体から生じ、一次ミラーに反射する。二次ミラーは、一次ミラーに隣接して配設することができ、そこでは光路が二次ミラーに反射し、一次ミラー内のオリフィスを通過する。望遠鏡は、光路に沿って配設された一組の拡張視野補正光学素子を含んでおり、拡張視野補正光学素子は二次ミラーからの入射光を反射するように位置決めされ、そこでは拡張視野補正光学素子の組は２つの補正ミラーを備える。望遠鏡は、光路に沿って、かつ拡張視野補正光学素子に隣接して配設された三次ミラーを更に含む。

[0007]一実施形態では、三次ミラーは、拡張視野補正光学素子の組から受光した光をコリメートするのに好適な光パワーを特徴とする。あるいは、一実施形態では、三次ミラーは、拡張視野補正光学素子の組からの入射光を検出器に集光するのに十分な光パワーを特徴とする。ある特定の実施形態では、三次ミラーは、一次ミラーに向けて伝搬している拡張視野補正光学素子の組からの入射光を受光するように位置決めされる。三次ミラーは、一次ミラーに隣接して位置決めされてもよい。いくつかの実施形態では、望遠鏡は、光路に沿って、かつ拡張視野補正光学素子に隣接して配設された折り畳みミラーを更に含んでおり、折り畳みミラーは三次ミラーからの光路を反射するように位置決めされてもよい。いくつかの実施形態では、拡張視野補正光学素子は、凸面ミラーおよび凹面ミラーを含む。拡張視野補正光学素子は、実質的に正味の光パワーを有しなくてもよい。一実施形態では、凸面ミラーおよび凹面ミラーは、中間像の両側に配設される。中間像は、凸面ミラーおよび凹面ミラーから等距離離間して配設されてもよい。実施形態では、中間像は、アクセス可能な中間像である。

[0008]いくつかの実施形態では、２つの補正ミラーは、両方とも非球面である。凸面ミラーは、凹面ミラーより非球面であってもよい。一実施形態では、凸面ミラーは、球面から最大２５波、偏差し、凹面ミラーは、球面から最大１５波、偏差する。いくつかの実施形態では、各補正ミラーは、回転対称である。いくつかの実施形態では、折り畳みミラーおよび三次ミラーは、拡張視野補正光学素子の組の両側にある。実施形態では、一次ミラーは、中心を有し、オリフィスは、その中心からオフセットされる。

[0009]本発明の別の実施形態によれば、光電場を補正する方法は、一次ミラーによって、物体から生じる光を二次ミラーに向けて反射させることと、二次ミラーによって、一次ミラーからの光を一組の拡張視野補正光学素子に向けて反射させることとを含み、この光は一次ミラー内のオリフィスを通過する。本方法は、拡張視野補正光学素子の組によって、二次ミラーからの光を三次ミラーに向けて反射させることと、三次ミラーによって、拡張視野補正光学素子からの光を折り畳みミラーに向けて反射させることとを含む。

[0010]実施形態では、拡張視野補正光学素子の組は、光を２回反射する。いくつかの実施形態では、最初の反射後に中間像が生成される。

[0011]本発明の更に別の実施形態によれば、望遠鏡システムは、複数のミラーと、複数のミラーからの入射光を受光するように位置決めされた検出器とを含む。複数のミラーは、オリフィスを有する一次ミラーを含むことができ、そこでは光路が一次ミラーの前面における物体から生じ、一次ミラーに反射する。二次ミラーは、一次ミラーに隣接して配設され、そこでは光路は二次ミラーに反射し、一次ミラー内のオリフィスを通過する。複数のミラーは、光路に沿って配設された一組の拡張視野補正光学素子を含んでおり、拡張視野補正光学素子は二次ミラーからの入射光を反射するように位置決めされ、そこでは拡張視野補正光学素子の組は２つの補正ミラーを備える。複数のミラーは、光路に沿って、かつ拡張視野補正光学素子に隣接して配設された三次ミラーを更に含んでおり、三次ミラーは拡張視野補正光学素子からの入射光を反射するように位置決めされる。追加のミラーまたはレンズの組は次に、検出器に集光させるために含まれてもよい。

[0012]いくつかの実施形態では、複数のミラーは、光路に沿って、かつ拡張視野補正光学素子に隣接して配設された折り畳みミラーを更に含んでおり、折り畳みミラーは三次ミラーからの光路を反射するように位置決めされる。いくつかの実施形態では、拡張視野補正光学素子は、凸面ミラーおよび凹面ミラーを備える。実施形態では、一次ミラーは、中心を有し、オリフィスは、その中心からオフセットされる。

[0013]これらの装置によって従来の装置に勝る多くの便益が得られる。本発明によってもたらされる便益は、従来の宇宙ベースの望遠鏡より広いＦＯＶを含む。より広いＦＯＶを有することにより、宇宙から地球を観測することに伴う時間および費用を節約する。加えて、複数のミラーは、全体的にコンパクトな設置面積を有するように配置される。コンパクトな設置面積を有することにより、他の必要なペイロードに利用可能な空間を最大にする。加えて、コンパクトな設置面積を有することにより、望遠鏡を宇宙空間に送達することに伴う費用を節約する。

[0014]実施形態のこれらの詳細および他の詳細は、それらの利点および特徴の多くと併せて、以下の説明、特許請求の範囲および図面に記載する。

アフォーカル望遠鏡のミラー配置を示す図である。 本発明の一実施形態に従う、拡張視野補正光学素子を有するアフォーカル望遠鏡のミラー配置を示す図である。 本発明の一実施形態に従う、拡張視野補正光学素子を示す図である。 本発明の一実施形態に従う、第１の補正ミラーを示す図である。 本発明の一実施形態に従う、第２の補正ミラーを示す図である。 本発明の一実施形態に従う、補正ミラーの非球面プロファイルを示すグラフである。 本発明の一実施形態に従う、第１の補正ミラーの表面プロファイルを示す簡略化プロットである。 本発明の一実施形態に従う、第２の補正ミラーの表面プロファイルを示す簡略化プロットである。 本発明の一実施形態に従う、拡張視野補正光学素子を有するアフォーカル望遠鏡のミラー配置を示す図である。 本発明の一実施形態に従う、ＳＷＩＲ帯で測定された画質のグラフ表示である。 本発明の一実施形態に従う、可視帯で測定された画質のグラフ表示である。 拡張視野補正光学素子を使用しないアフォーカル望遠鏡の非点収差マップである。 本発明の一実施形態に従う、拡張視野補正光学素子を用いたアフォーカル望遠鏡の非点収差マップである。

[0028]以下の説明では、本発明の実施形態についての理解を提供するために多くの例および詳細を示す。しかし、ある特定の実施形態は、これらの詳細のいくつかを用いることなく実践することができ、またはこれらの修正もしくは均等物で実践することができることが当業者に明白であろう。

[0029]本発明の実施形態は、広いＦＯＶの宇宙ベース望遠鏡のためのシステムおよび方法を提供する。宇宙ベース望遠鏡は、複数のミラーで形成されてもよく、これは一組の拡張視野補正光学素子を含むことができる。拡張視野補正光学素子は、宇宙ベース望遠鏡システムのＦＯＶを拡大するように光路に沿って位置決めされてもよい。

[0030]図１は、望遠鏡１００を示す。望遠鏡１００は、前面１０２および背面１０４を含む。前面１０２は、光路１１４が生じる物体（図示せず）に向けて方向付けられてもよい。望遠鏡１００はまた、オリフィス１０７を有する一次ミラー１０６を含む。二次ミラー１０８は、一次ミラー１０６に隣接して位置決めされる。二次ミラー１０８は、一次ミラー１０６からの入射光を反射するように光路に沿って位置決めされる。二次ミラー１０８からの反射光は、オリフィス１０７を通過し、第１の折り畳みミラー１１０に投射する。第１の折り畳みミラー１１０は、光を三次ミラー１１２に向けて方向付けし、この三次ミラーは次に、この光を第２の折り畳みミラー１２０、および必要に応じて追加の光学素子に向けて反射して、検出器（図示せず）に結像する。第１の折り畳みミラー１１０および第２の折り畳みミラー１２０は、望遠鏡１００によって達成された画質に影響を与えない無地の平面ミラーである。

[0031]図１に示すように、第１の折り畳みミラー１１０、第２の折り畳みミラー１２０、および三次ミラー１１２は、一次ミラー１０６に隣接して横方向に位置決めされる。第１の折り畳みミラー１１０、第２の折り畳みミラー１２０、および三次ミラー１１２は、一次ミラー１０６の設置面積内に適合する。したがって、望遠鏡１００は、第１の折り畳みミラー１１０、第２の折り畳みミラー１２０、および三次ミラー１１２を一次ミラー１０６の境界内に適合することによって達成された少ない設置面積により、宇宙ベース利用に適していてもよい。

[0032]下の表１は、望遠鏡１００の性能を示す。具体的には、表１は、−１．２５度〜１．２５度の範囲の水平ＦＯＶ、および−０．４度〜０．４度の範囲の垂直ＦＯＶにわたる望遠鏡１００に対する６．２５μｍ画素内で方形検出された収集エネルギーの割合を示す。入射光の波長（λ）は、５００〜７００ｎｍであり、回折限界は７１である。

[0033]図示するように、望遠鏡１００は、−０．６２〜０．６２の水平ＦＯＶ内で４０パーセント超のエネルギー捕捉を達成する。６１パーセントのエネルギー捕捉の最大性能が、中心で達成される。望遠鏡１００の性能は、水平ＦＯＶがプラスマイナス０．９３度まで達するときに低下し、水平ＦＯＶがプラスマイナス１．２５度に達するときにより一層低下する。したがって、望遠鏡１００は、水平方向に０．６２度のＦＯＶを達成する。垂直ＦＯＶに関して、性能は、５９および４６パーセントのエネルギー捕捉が０．４および−０．４度でそれぞれ達成される場合、−０．４〜０．４度わずかに低下する。

[0034]本発明の実施形態によれば、水平ＦＯＶおよび垂直ＦＯＶにわたる望遠鏡性能は、図２との関連で記載するように、一組の拡張視野補正光学素子などの視野補正アセンブリが設計に組み込まれるときに大幅に向上する。

[0035]図２は、本発明の一実施形態に従う、拡張視野補正光学素子を有するアフォーカル望遠鏡のミラー配置を示す図である。図２に示すように、折り畳みミラー２１０から反射後のコリメートされた出力を生成する望遠鏡の配置が提供される。いくつかの実施形態は、倍率の範囲、例えば３〜１２の倍率にわたって利用することができるが、実施形態はこの特定の範囲に限定されない。図２は、複数のミラーを有する望遠鏡２００を示しており、このミラーはオリフィス２０７を有する一次ミラー２０６を含む。一次ミラー２０６は、放射状の中心を有してもよく、オリフィス２０７は、その中心からオフセットして位置決めされてもよい。望遠鏡２００の前面２０２に位置する物体（図示せず）から生じる光路２１４は、望遠鏡２００に向けて投射することができる。光路２１４に沿って投射された光は、一次ミラー２０６に反射し、二次ミラー２０８に反射し、その後オリフィス２０７を通って移動する。

[0036]本発明の一実施形態によれば、一組の拡張視野補正光学素子２１６は、二次ミラー２０８からの入射光の少なくとも一部分を受光するように光路２１４に沿って位置決めされる。いくつかの実施形態では、二次ミラー２０８で反射された光のすべては、拡張視野補正光学素子の組２１６で受光される。拡張視野補正光学素子の組は、望遠鏡２００がより広い視野（ＦＯＶ）を有することを可能にすることができる。実施形態では、拡張視野補正光学素子の組２１６は、二次ミラー２０８の反対側の一次ミラー２０６に隣接して位置決めされる。例えば、拡張視野補正光学素子の組２１６は、望遠鏡２００の背面２０４に向いている一次ミラー２０６の側面に隣接して位置決めされてもよい。一実施形態では、拡張視野補正光学素子の少なくとも一部分は、オリフィス２０７の中心軸に沿って位置決めされてもよい。拡張視野補正光学素子の組２１６は、図３Ａに関して更に本明細書でより詳細に記載するように、一対のミラーを含むことができる。

[0037]実施形態では、三次ミラー２１２は、拡張視野補正光学素子の組２１６からの入射光の少なくとも一部分（またはすべて）を受光するように光路に沿って位置決めされる。三次ミラー２１２は、拡張視野補正光学素子２１６に隣接して位置決めされてもよい。一実施形態では、三次ミラー２１２は、拡張視野補正光学素子の組２１６の下、かつ一次ミラー２０６の縁部に隣接して位置決めされる。いくつかの実施形態では、三次ミラー２１２は、三次ミラー２１２が拡張視野補正光学素子の組から受光した光をコリメートするのに適した光パワーを有するように湾曲している。

[0038]図２に示すように、拡張視野補正光学素子の組からの入射光は、拡張視野補正光学素子の組を通過した後、一次ミラー２０６に向かう方向に伝搬することができる。したがって、三次ミラー２１２は、一次ミラーに向けて伝搬している拡張視野補正光学素子の組からの入射光を受光するように位置決めされてもよい。それ故に、拡張視野補正光学素子の組を通過した後、光線が一次ミラーに向けて折り返され、本明細書に記載したようにコンパクトな設計をもたらす。

[0039]例えば、三次ミラー２１２は、一次ミラー２０６に隣接して位置決めされてもよく、三次ミラーが拡張視野補正光学素子の組より一次ミラーの背面に近い。それ故に、三次ミラー２１２から反射した光は、その光が折り畳みミラー２１０に向けて伝搬するとき、一次ミラー２０６と拡張視野補正光学素子の組２１６との間に配設された空間内を伝搬することができる。いくつかの実装形態では、三次ミラーと折り畳みミラーとの間に伝搬する光線は、一次ミラーの背面に実質的に平行である。図１および図２に示した望遠鏡を比較すると、三次ミラーは、図１と比較して図２における三次ミラーの光軸の両側に使用される。それ故に、本発明の実施形態は、宇宙ベースおよび他の用途に適したコンパクトな設計を提供する。したがって、いくつかの実施形態は、コンパクトな拡張視野の望遠鏡と称されてもよい。

[0040]折り畳みミラー２１０は、三次ミラー２１２からの入射光の少なくとも一部分を受光するように光路に沿って位置決めされてもよい。一実施形態では、折り畳みミラー２１０は、拡張視野補正光学素子２１６に隣接して位置決めされる。折り畳みミラー２１０は、三次ミラー２１２の反対側の拡張視野補正光学素子の組２１６の側面に位置決めされてもよい。図２の側面図に示したように、三次ミラーは、拡張視野補正光学素子の組の下に位置決めされ、折り畳みミラーは、拡張視野補正光学素子の組の上に位置決めされ、その結果、折り畳みミラーおよび三次ミラーは、中心に位置する拡張視野補正光学素子の組の両側にある。三次ミラー２１２からの入射光は、折り畳みミラー２１０に反射し、追加の結像光学素子に向けて検出器（図示せず）に投射することができる。第１の折り畳みミラー１１０は、望遠鏡２００によって達成された画質に影響を与えない無地の平面ミラーである。

[0041]図３Ａ〜図３Ｃは、より詳細に、本発明の一実施形態による拡張視野補正光学素子の組２１６を示す。より具体的には、図３Ａは、本発明の一実施形態に従う、拡張視野補正光学素子を示す図である。図３Ｂは、本発明の一実施形態に従う、第１の補正ミラーを示す図である。図３Ｃは、本発明の一実施形態に従う、第２の補正ミラーを示す図である。それ故に、図３Ｂおよび図３Ｃは、本発明の一実施形態による拡張視野補正光学素子の組を形成するミラーのプロファイルを示す。

[0042]図３Ａに示すように、拡張視野補正光学素子の組２１６は、第１の補正ミラー３０２および第２の補正ミラー３０４という２つの補正ミラーで形成されてもよい。第１の補正ミラー３０２は、第２の補正ミラー３０４に向けて光を反射するように位置決めされてもよい。例えば、第１の補正ミラー３０２は、二次ミラー２０８からの入射光を受光し、かつ第２の補正ミラー３０４に向けて光を反射するように光路２１４に沿って位置決めされてもよい。一実施形態では、第１の補正ミラー３０２および第２の補正ミラー３０４は光学的に中心である。例えば、第１の補正ミラー３０２の回転対称中心に反射する光は、第２の補正ミラー３０４の回転対称中心によって受光される。

[0043]本発明の実施形態によれば、光路２１４に沿って伝搬する光線は、交差面３０６で互いに交差する。例えば、光路２１４は、第１の光線の組３１２、第２の光線の組３１４、および第３の光線の組３１６という三組の光線からなってもよい。各光線の組３１２、３１４および３１６は、交差面３０６で互いに交わる個々の光線からなってもよい。実施形態では、交差面３０６は、第１の補正ミラー３０２と第２の補正ミラー３０４との間に実質的に等距離に配設される。あるいは、交差面３０６は、第２の補正ミラー３０４にわずかにより近く配設されてもよい。別の代替形態では、交差面３０６は、第１の補正ミラー３０２にわずかにより近く配設されてもよい。交差面３０６は、中間像面が形成される光路２１４における位置を表すことができ、中間面と称されてもよい。一実施形態では、交差／中間像面は、アクセス可能な交差／中間面である。いくつかの実施形態では、視野絞りは、望遠鏡２００の視野を制限するために交差面３０６に配置することができる。他の実施形態では、交差面はアクセス可能であり、交差面に配置された光学素子を受容するように構成されるため、他の光学素子は、他の好適な光学機能を果たすように交差面に配置することができる。当業者は、多くの変形形態、変更形態および代替形態を認識するであろう。

[0044]実施形態では、第１の補正ミラー３０２および第２の補正ミラー３０４は、望遠鏡２００の正味の近軸光パワーをほとんどまたは全く達成しない、すなわち、実質的に正味の近軸光パワーを達成しないように構成される。一実施形態では、拡張視野補正光学素子の組２１６は、望遠鏡２００の光パワーの１％未満の近軸光パワーを有する。他の実施形態では、拡張視野補正光学素子の組の近軸光パワーは、望遠鏡２００の光パワーの０．８％、０．６％、０．４％または０．２％未満である。一例として、第１の補正ミラー３０２は、第２の補正ミラー３０４の光反射特性とは逆の光反射特性を有することができる。例えば、第１の補正ミラー３０２は、図３Ｂに示したように凸面ミラーであってもよく、第２の補正ミラー３０４は、図３Ｃに示したように凹面ミラーであってもよい。いくつかの実施形態では、第１の補正ミラー３０２および第２の補正ミラー３０４は、その設計に追加の近軸光パワーを提供するように構成されてもよい。

[0045]第１の補正ミラー３０２および第２の補正ミラー３０４は、第１の補正器の反射面３１０および第２の補正器の反射面３０８をそれぞれ有することができ、その両方が光反射面として動作することができる。一実施形態では、第１の補正器の反射面３１０および第２の補正器の反射面３０８は、交差面３０６に向けて配設される。実施形態では、第１の補正ミラー３０２および第２の補正ミラー３０４は各々、中心位置に対して回転対称であり、この位置はミラー３０２および３０４の物理的中心でなくてもよい。図３Ａは第１の補正ミラー３０２を凸面ミラーとして、第２の補正ミラー３０４を凹面ミラーとして示すが、本明細書の代替的実施形態において同様に、第１の補正ミラー３０２が凹面であり、かつ第２の補正ミラー３０４が凸面である実施形態も想定される。

[0046]一実施形態では、第１の補正ミラー３０２および第２の補正ミラー３０４は非球面ミラーである。球面からのそれらの偏位は、図４に示すようにわずかであり得、第１の補正ミラー３０２および第２の補正ミラー３０４の曲率のグラフ表示を示す。図４のグラフは、６３２．８ｎｍでのサグの波を表す縦軸、および正規化した開口高度を表す横軸を有し、そこでは０がミラーの中心を表し、１がミラーの縁部を表す。第１の補正器の曲面４０２は、第１の補正ミラー３０２のミラープロファイルを表し、第２の補正器の曲面４０４は、第２の補正ミラー３０４のミラープロファイルを表す。一実施形態では、第１の補正ミラー３０２は、第２の補正ミラー３０４より非球面であってもよい。例えば、第１の補正ミラー３０２は、最大２５波、球面プロファイルから偏位することができるが、第２の補正ミラー３０４は、最大１５波、球面プロファイルから偏位することができる。

[0047]図５Ａは、本発明の一実施形態による第１の補正ミラーの表面プロファイルを示す簡略化プロットである。図５Ａに示すように、このミラーの表面プロファイルは、数ミル（１０００分の１インチ）程度、球面プロファイルとは異なる。図５Ａを参照すると、表面プロファイルは、正規化した表面高度の関数として球面から偏差するサジッタを有する。ミラーの縁部での球面サグを特徴とするが、表面プロファイルは、正規化した表面高度の約半分の位置に近い約０．２×１０^−３インチの球面に対する最大偏差で、球面ミラーより低いサグを有する。上述したように、球面ミラーからの偏差を規定する曲面の実際の形状は、第２の補正ミラーの表面プロファイルに依存する。当業者は、多くの変形形態、変更形態および代替形態を認識するであろう。

[0048]図５Ｂは、本発明の一実施形態による第２の補正ミラーの表面プロファイルを示す簡略化プロットである。図５Ｂに示すように、このミラーの表面プロファイルは、数ミル（１０００分の１インチ）程度、球面プロファイルとは異なる。図５Ｂを参照すると、表面プロファイルは、正規化した表面高度の関数として球面から偏差するサジッタを有する。ミラーの縁部での球面サグを特徴とするが、表面プロファイルは、正規化した表面高度の約半分の位置に近い約０．３×１０^−３の球面に対する最大偏差で、球面ミラーより低いサグを有する（負のサグにおいて測定される）。上述したように、球面ミラーからの偏差を規定する曲面の実際の形状は、第１の補正ミラーの表面プロファイルに依存する。当業者は、多くの変形形態、変更形態および代替形態を認識するであろう。

[0049]下の表２は、本発明の一実施形態による望遠鏡の性能を示す。具体的には、表２は、−１．２５度〜１．２５度の範囲の水平ＦＯＶ、および−０．４度〜０．４度の範囲の垂直ＦＯＶにわたる望遠鏡２００に対する６．２５μｍ画素内で捕捉された収集エネルギーの割合を示す。入射光の波長（λ）は、５００〜７００ｎｍであり、回折限界は７１である。表２の構成は、比較を容易にするために表１の構成と類似であるように配置されていることが理解されるべきである。

[0050]図示するように、望遠鏡２００は、本発明の実施形態によれば、−１．２５〜１．２５の水平ＦＯＶ内で４０パーセント超のエネルギー捕捉を達成する。７０パーセントのエネルギー捕捉の最大性能が中心で達成される。望遠鏡２００の性能は、水平ＦＯＶがプラスマイナス０．９３度まで達するときでも大幅に低下せず、水平ＦＯＶがプラスマイナス１．２５度に達するときにも４０パーセント未満に低下しない。それ故に、本発明の実施形態による望遠鏡２００は、水平方向に１．２５度のＦＯＶを達成することができ、これは望遠鏡１００の０．６２度のＦＯＶより実質的に大きい。垂直ＦＯＶに関して、性能は、６７および６５パーセントのエネルギー捕捉が０．４および−０．４度でそれぞれ達成される場合、−０．４〜０．４度わずかに低下し、これは、望遠鏡１００に対する０．４および−０．４度それぞれにおける５９および４６パーセントのエネルギー捕捉より依然として大きい。

[0051]下の表３および表４は、本発明の実施形態による望遠鏡の性能を更に示す。表３は、−１．２５度〜１．２５度の範囲の水平ＦＯＶ、および−０．５度〜０．５度の範囲の垂直ＦＯＶにわたって、５００ｍｍ焦点距離対応の撮像素子による可視帯で望遠鏡２００に対する２．４５μｍ画素内で捕捉された収集エネルギーの割合を示す。回折限界は２６である。

[0052]表４は、−１．２５度〜１．２５度の範囲の水平ＦＯＶ、および−０．５度〜０．５度の範囲の垂直ＦＯＶにわたって、５００ｍｍ焦点距離対応の撮像素子による短波長赤外（ＳＷＩＲ）帯で望遠鏡２００に対する１８μｍ画素内で捕捉された収集エネルギーの割合を示す。回折限界は８０である。

[0053]表３および表４の両方に示すように、望遠鏡２００の最大エネルギー捕捉性能は、中心で達成され、視野の大部分にわたって実質的に一定である。望遠鏡２００の性能は、視野の縁部まで、例えばプラスマイナス１．２５度まで大幅に低下しない。表３および表４から判断することができるように、望遠鏡２００は、広いＦＯＶにわたって高エネルギー捕捉を達成することができる。

[0054]表３および表４に加えて、本発明の実施形態の有効性の証明は、図７Ａ〜図７Ｂからも分かり、これらの図は、本明細書で記載した望遠鏡２００の望遠鏡設計などのアフォーカル望遠鏡設計によってもたらされる変調伝達関数（ＭＴＦ）によって測定されるような画質のグラフ表示を示す。図７Ａ〜図７Ｂのグラフは、変調を表す縦軸、およびｃｙｃｌｅｓ／ｍｍの単位で空間周波数を表す横軸を有する。

[0055]図７Ａは、ＳＷＩＲ帯（１４００〜１８００ｎｍの波長）で測定された画質を示し、プロットした曲線７１０は、０度ＦＯＶおよび最大設計ＦＯＶの両方で本発明の実施形態による望遠鏡のＭＴＦ性能を表す。図７Ａから分かるように、変調は、０の空間周波数で最大であり、８０の空間周波数で約０．１まで低下する。０．５の変調は、４０の空間周波数で実現される。

[0056]図７Ｂは、可視帯（５００〜７００ｎｍの波長）で測定された画質を示し、プロットした曲線７５０は０度ＦＯＶで本発明の実施形態による望遠鏡のＭＴＦ性能を表し、プロットした曲線７６０は、最大設計ＦＯＶで本発明の実施形態による望遠鏡のＭＴＦ性能を表す。図７Ｂに示すように、曲線７５０および曲線７６０の変調は、０の空間周波数で最大であり１００の空間周波数で約０．５および０．３まで低下する。

[0057]図８Ａ〜図８Ｂは、視野補正設計を有する望遠鏡、およびその設計を有しない望遠鏡のＦＯＶにわたる非点収差マップを示し、視野拡張視野補正光学素子を有する望遠鏡が拡張視野補正光学素子を有しない望遠鏡よりもいかに改善しているかを示している。具体的には、図８Ａは、拡張視野補正光学素子を有しない望遠鏡（例えば、望遠鏡１００）のＦＯＶにわたる非点収差マップを示し、図８Ｂは、拡張視野補正光学素子を有する望遠鏡（例えば、望遠鏡２００）のＦＯＶにわたる非点収差マップを示す。図８Ａを図８Ｂと対比させると分かるように、非点収差の程度は、ベクトル線の長さによって表されるように、ＦＯＶの大部分にわたる拡張視野補正光学素子を有しない望遠鏡より大幅に少ない。より少ない非点収差は、望遠鏡によって捕捉され得るより正確かつより変形した像をもたらす。

[0058]図６は、フォーカル望遠鏡ミラー配置を有する望遠鏡６００を示す図であり、この望遠鏡は本発明の一実施形態に従う、拡張視野補正光学素子を含む。図６に示すように、反射望遠鏡の配置が提供されており、そこでは折り畳みミラー６１０の出力において光が像に合焦され、それによりこの実施形態における結像の型を提供する。図２との関連で前述したように、いくつかの実施形態は、アフォーカル望遠鏡システムを提供しており、このシステムはシステムの出力においてコリメートされた（すなわち、平行な）光を生じる。しかし、図６に示すように代替的実施形態では、拡張視野補正光学素子の組６１６は、図２と関連して記載したように真のアフォーカル望遠鏡の代わりに結像反射型システムに使用することができる。図６に示すように、図２の三次ミラー２１２の曲率より深い曲率を有する三次ミラー６１２は、望遠鏡６００に利用することができる。したがって、ミラー配置は、直接集光し、追加の集束光学素子を必要とせずに検出器６１８とともに使用することができる。いくつかの実施形態では、光パワーを有する折り畳みミラーを利用することによって、追加の集束光学素子が利用される。当業者は、多くの変形形態、変更形態および代替形態を認識するであろう。

[0059]一次ミラー６０６、二次ミラー６０８、および拡張視野補正光学素子の組６１６を含む、いくつかの類似性が図２に示した実施形態と共有される。図６に示すように、一次ミラーは、中心を有し、オリフィス６０７は、その中心からオフセットされ得る。望遠鏡６００のフォーカル特性により、一次ミラー６０６、二次ミラー６０８、三次ミラー６１２、ならびに拡張視野補正光学素子の組６１６に含まれる第１の補正ミラーおよび第２の補正ミラーを含む、光学素子の光学仕様／規定は、望遠鏡２００における類似の素子の光学仕様とは異なってもよい。それ故に、当業者に明白であるように、図２に示したようなアフォーカル系の設計に類似した様式で、図６に示したフォーカル系は、必要に応じて、特に三次ミラー６１２の集束力を変更される光学素子を利用して、フォーカル系を提供する。したがって、光学設計分野の当業者は、アフォーカルまたはフォーカル設計のいずれか好適な光学特性を指定することができる。

[0060]三次ミラー６１２は、検出器６１８の結像面であり得る出力において結像するのに好適な所定の光パワーを特徴とする。上述したようにいくつかの実施形態では、折り畳みミラー６１０は、第２の所定の光パワーを有することができるが、これは本発明に必要ではない。図２に関連して記載したように、拡張視野補正光学素子の組６１６は、実質的に正味の光パワーを有することができない。他の実施形態では、三次ミラー６１２、拡張視野補正光学素子６１６、および／または折り畳みミラー６１０の組み合わせは、例えば検出器６１８で像に合焦する光パワーを提供する。

[0061]上記説明は、本発明の態様が実装され得る方法の例とともに本発明の様々な実施形態を示している。上記の例および実施形態は、唯一の実施形態と見なされるべきではなく、以下の特許請求の範囲によって規定されるような本発明の適応性および利点を例示するために示される。例えば、ある特定の実施形態は、特定のプロセスフローおよび工程に関して記載しているが、本発明の範囲は、記載したフローおよび工程に厳密に限定されないことが当業者に明らかであるべきである。順次的として記載した工程は、並行して実行されてもよく、工程の順序は変えられてもよく、工程は変更、組み合わせ、追加、または省略されてもよい。別の例として、ある特定の実施形態がハードウェアとソフトウェアの特定の組み合わせを使用して記載されるが、ハードウェアとソフトウェアの他の組み合わせが可能であり、ソフトウェアで実装されるように記載した特定の操作はハードウェアで実装することもでき、逆も同様であることが認識されるべきである。

[0062]したがって、本明細書および図面は、限定的ではなく例示的という意味で見なされるべきである。他の配置、実施形態、実装形態および均等物が当業者に明白であり、以下の特許請求の範囲に記載されるような本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく用いることができる。

Claims (20)

1. オリフィスを有する一次ミラーであって、光路が前記一次ミラーの前面で位置決めされた物体から生じ、前記一次ミラーに反射する、一次ミラーと、
   前記一次ミラーに隣接して配設された二次ミラーであって、前記光路が前記二次ミラーに反射し、前記一次ミラー内の前記オリフィスを通過する、二次ミラーと、
   前記光路に沿って配設された一組の拡張視野補正光学素子であって、前記拡張視野補正光学素子が前記二次ミラーからの入射光を反射するように位置決めされ、前記拡張視野補正光学素子の組が２つの補正ミラーを備える、一組の拡張視野補正光学素子と、
   前記光路に沿って、かつ前記拡張視野補正光学素子に隣接して配設された三次ミラーであって、前記拡張視野補正光学素子からの前記入射光を反射するように位置決めされる、三次ミラーと、
   を備える望遠鏡。
2. 前記三次ミラーは、前記一次ミラーに向けて伝搬している前記拡張視野補正光学素子の組からの入射光を受光するように位置決めされる、請求項１に記載の装置。
3. 前記三次ミラーは、前記一次ミラーに隣接して位置決めされる、請求項２に記載の装置。
4. 前記光路に沿って、かつ前記拡張視野補正光学素子に隣接して配設された折り畳みミラーを更に備え、前記折り畳みミラーは前記三次ミラーからの光路を反射するように位置決めされる、請求項１に記載の装置。
5. 前記拡張視野補正光学素子は、凸面ミラーおよび凹面ミラーを備える、請求項１に記載の装置。
6. 前記拡張視野補正光学素子は、実質的に正味の近軸光パワーを有しない、請求項５に記載の装置。
7. 前記凸面ミラーおよび前記凹面ミラーは、中間像の両側に配設される、請求項５に記載の装置。
8. 前記中間像は、前記凸面ミラーおよび前記凹面ミラーから等距離離間して配設される、請求項７に記載の装置。
9. 前記中間像は、アクセス可能な中間像である、請求項７に記載の装置。
10. 前記２つの補正ミラーは、両方とも非球面である、請求項１に記載の装置。
11. 前記凸面ミラーは、前記凹面ミラーより非球面である、請求項１０に記載の装置。
12. 前記折り畳みミラーおよび前記三次ミラーは、前記拡張視野補正光学素子の組の両側にある、請求項１に記載の装置。
13. 前記一次ミラーは、中心を有し、前記オリフィスは、その中心からオフセットされる、請求項１に記載の装置。
14. 光電場を補正する方法であって、前記方法は、
    一次ミラーによって、物体から生じる光を二次ミラーに向けて反射させるステップと、
    前記二次ミラーによって、前記一次ミラーからの前記光を一組の拡張視野補正光学素子に向けて反射させるステップであって、前記光が前記一次ミラー内のオリフィスを通過する、ステップと、
    前記拡張視野補正光学素子の組によって、前記二次ミラーからの前記光を三次ミラーに向けて反射させるステップと、
    前記三次ミラーによって、前記拡張視野補正光学素子からの前記光を折り畳みミラーに向けて反射させるステップと、
    を含む方法。
15. 前記拡張視野補正光学素子の組は、前記光を２回反射する、請求項１４に記載の方法。
16. 最初の反射後に中間像が生成される、請求項１５に記載の方法。
17. 複数のミラーであって、
    オリフィスを有する一次ミラーであって、光路が前記一次ミラーの前面で位置決めされた物体から生じ、前記一次ミラーに反射する、一次ミラーと、
    前記一次ミラーに隣接して配設された二次ミラーであって、前記光路が前記二次ミラーに反射し、前記一次ミラー内の前記オリフィスを通過する、二次ミラーと、
    前記光路に沿って配設された一組の拡張視野補正光学素子であって、前記拡張視野補正光学素子が前記二次ミラーからの入射光を反射するように位置決めされ、前記拡張視野補正光学素子の組が２つの補正ミラーを備える、一組の拡張視野補正光学素子と、
    前記光路に沿って、かつ前記拡張視野補正光学素子に隣接して配設された三次ミラーであって、前記拡張視野補正光学素子からの前記入射光を反射するように位置決めされる、三次ミラーと、
    を備える複数のミラーと、
    前記複数のミラーからの入射光を受光するように位置決めされた検出器と、
    を備える望遠鏡システム。
18. 前記複数のミラーは、前記光路に沿って、かつ前記拡張視野補正光学素子に隣接して配設された折り畳みミラーを更に備え、前記折り畳みミラーは前記三次ミラーからの光路を反射するように位置決めされる、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記拡張視野補正光学素子は、凸面ミラーおよび凹面ミラーを備える、請求項１７に記載のシステム。
20. 前記検出器で受光した前記複数のミラーからの前記入射光は、前記物体の像を含む、請求項１７に記載のシステム。