JP2507912B2 - 非同軸共焦点ズ―ム反射光学系 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は広視野高分解能でズーム
が可能な非同軸共焦点ズーム反射光学系に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】結像光学系は、物体から反射する太陽
光、あるいは物体自身から放出している赤外光を集光
し、光の像を作る作用を持っている。また、アフォーカ
ル光学系は、何らかの結像光学系と合わせて用いられ、
結像光学系と同様に、物体の光の像を作る作用を持って
いる。

【０００３】そして、この種の光学系としては、視野が
広く、高分解能で、波長範囲も広く、大口径で、明る
く、加工容易で、かつ平面直線像ができ、さらに、焦点
距離が連続的に可変できるズーム化されたものが、長く
求められてきた。

【０００４】ところで、光学系には、レンズ等の屈折材
料を用いる屈折光学系と、金属等の反射面を用いる反射
光学系に大きく分けられる。

【０００５】ここで、屈折光学系と反射光学系との長所
短所の比較を表１に示す。

【０００６】

【表１】

【０００７】この表から解るように、反射光学系には多
くの長所があるにもかかわらず、天体望遠鏡のように、
視野の狭い（例えば１度以下）特殊な用途にしか用いら
れておらず、カメラ等の多くは屈折光学系である。この
原因は単に反射光学系の視野の狭さとズーム化が困難な
ためと考えられる。

【０００８】では、何故屈折光学系の視野は広く、かつ
ズーム化の設計ができるのに、反射光学系では視野を広
く、かつズーム化された設計ができないのであろうか。
これについては、次のように考えられる。

【０００９】屈折光学系では、光軸に沿って１方向に光
が進み、多くのレンズの組み合わせ構成が容易にでき、
よって、曲率の異なる多くの球面（あるいは球面を基本
とした非球面）の組み合わせ、種々の面間隔の組み合わ
せ、及び屈折率の異なる材料の組み合わせ等の多種で多
量のパラメータの組み合わせが可能なため、多くの変化
させられるパラメータが存在し、組み合わせをうまく設
計すれば、周辺でもボケの無い広いイメージフォーマッ
ト面が作られ、広い視野に渡り高分解能なズーム光学系
が実現できる。

【００１０】これに対し、反射光学系は、反射現象のた
め、光線は光軸に沿って一方向に進まず、反射の度に逆
方向に進み、ニュートン、カセグレン、グレゴリー式反
射光学系等で代表されるように、図３に示す従来の同軸
配置によるズーム反射光学系では、同軸Ｌ10−Ｌ10' 上
に４枚の反射面Ｓ10，Ｓ11，Ｓ12，Ｓ13を配置し、各面
Ｓ10，Ｓ11，Ｓ12，Ｓ13の間隔を変化させることにより
焦点距離が可変できる構成となっているが、多くの面の
組み合わせができず、せいぜい４枚の組み合わせしかで
きなかった。このため、変化させられるパラメータが少
なく、イメージフォーマット面の広い範囲に渡って収差
の補正ができず、当然、さらに多くのパラメータが必要
なズーム化された広視野反射光学系の設計など到底でき
ないわけである。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】以上まとめると、反射
光学系は多くの利点を有するが、従来の光軸を有する同
軸配置では、多くの面の構成ができないため、変化させ
られるパラメータが少なく、収差の補正ができないばか
りでなく、さらに困難な広視野のズーム化設計など不可
能に近く、天体望遠鏡のように、狭視野でズーム化され
ない特殊な用途にしか反射光学系が用いられないと言え
る。

【００１２】従って、図３に示す従来の反射光学系は、
反射面が同軸に配置されて用いられているため、せいぜ
い数枚程度の組み合わせしかできず、収差を補正した加
工容易な広視野高分解能のズーム反射光学系の設計がで
きなかった。

【００１３】そこで、本発明は、これまでの同軸（光
軸）を無くすことにより、多くの枚数の反射面の組み合
わせを可能とし、これにより、多くの変化させられるパ
ラメータを導入でき、かつ指導原理として、任意の曲面
でなく、使用する反射曲面として、点としての焦点を持
つ回転放物面、回転楕円面、回転２葉双曲面、球面、平
面（以下、有焦点２次曲面という）の組み合わせを用い
て、連続的にその光学系全体の焦点距離が可変できる広
視野高分解能の反射光学系を提供することを目的として
いる。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載した非同軸共焦点ズーム反射光学系
は、焦点を持つ曲面を複数枚用い、かつその曲面の一部
を反射面とし、各々の反射面は回転対称軸を持ち、その
個々の回転対称軸のうちの少なくとも１つは、ある１つ
の固定された直線上に置かない配置で、かつ任意のある
曲面の焦点とその前後の曲面の焦点とを同一位置に置
き、該前後の曲面の２つの対称軸の成す角度の変化によ
り焦点距離が連続的に変化することを特徴としている。
また、請求項２では、曲面の最初の入射面を回転放物面
としている。さらに、請求項３のアフォーカル反射光学
系では、曲面の最初の入射面及び最後の射出面を回転放
物面としている。また、請求項４では、曲面が、焦点を
持つ面形状を基本として、その面から微小に変形してい
る。

【００１５】

【作用】本発明の曲面として用いられる回転楕円面、回
転２葉双曲面の片方の面には、２つの異なる、点として
の焦点があることは良く知られている。また、回転放物
面にも通常の焦点以外に、無限遠にもう一つの焦点が有
ると考えれば、結局２つの異なる焦点を持つ面と考えら
れる。さらに、球面は１つの焦点を持ち、平面は至ると
ころが焦点と考えられる。ここで、焦点とは、実あるい
は虚の点光源が、反射面により、幾何光学的な意味で、
厳密に実あるいは虚の点像になるような、その反射面に
固有の点を言う。

【００１６】そして、ある有焦点２次曲面の焦点近傍に
物体が有るとすれば、その光学像は、実像及び虚像を含
めて、やはりその曲面のもう一つの焦点近傍にできるは
ずである。なぜなら、まったく厳密な意味で、焦点から
出た光束または焦点に向かう光束は、もう一つの焦点に
集光あるいは焦点から発散する、すなわち、実あるいは
虚の厳密な点像ができるからであり、また、この作用は
連続的になされるので、物体側焦点と像側焦点で厳密な
点像の対応が有るのであれば、焦点近傍でも、ボケの度
合いを考えなければ、やはり像は焦点近傍にできるから
である。この像のボケの無い近傍がかなり広くなれば、
収差の補正ができたことになり、広視野性が達成でき
る。なお、収差の補正とは、光学系が使用される用途に
応じて、それぞれ許容範囲が示されるものであり、一般
的かつ厳密に決められるものではなく、ある許容範囲を
必ず含むものである。

【００１７】以上、単一面で考えたが、多数の有焦点２
次曲面を、前後の面と焦点を合わせながら構成すれば、
以上の議論はそのまま成立する。すなわち、共焦点にす
ることにより、狭義の意味での球面収差は完全に除かれ
た反射光学系の構成が保証でき、像の生成作用は連続的
に行われるため、入射焦点近傍の物体は、射出焦点近傍
に光の像ができ、このボケの無い近傍を、多くのパラメ
ータを変化させて広げる設計が可能となる。また、多く
のパラメータを変化できるには、反射面を非同軸にすれ
ば容易に可能である。本発明では、焦点を持つ多くの反
射面を前後で共焦点に配置し、しかも、非同軸な配置を
行うことにより、広視野高分解能の反射光学系を構成し
ている。ここで、非同軸な配置とは、各面は回転対称軸
を持つが、その回転対称軸の１つでもある１つの直線と
一致しない配置を言う。また、ある１つの共焦点位置は
その前後の反射面の対称軸が交わる点であるが、本発明
では、その２つの対称軸の成す角度を共焦点のまま変化
させることにより、光学系全体の焦点距離が連続的に可
変できるようになっている。

【００１８】十分遠方に物体が有る場合には、焦点が無
限遠に有ると考えられる放物面を入射面とすべきであ
り、又、アフォーカル系では、入射面と射出面が回転放
物面で構成されている。

【００１９】反射シュミット光学系の入射面に用いられ
る曲面のように、回転対称軸の無い非球面加工は現代に
おいても加工困難であるが、焦点を持つ曲面として本発
明に用いられる放物面、楕円面、双曲面は非球面である
が、回転対称軸を有し、その軸からかなり離れた面の加
工でさえ、ダイヤモンドターニング等の超精密加工技術
が成熟してきた現代においては、加工容易である。

【００２０】屈折光学系で面を減らすために、小数の面
に球面を基本とした非球面の導入がよく行われている
が、本発明では、この考えを適用して反射光学系を構成
する曲面の枚数を減少させることができる。

【００２１】

【実施例】図１は本発明による３面構成の結像型非同軸
共焦点ズーム反射光学系の一実施例を示す。

【００２２】この実施例のズーム反射光学系は、焦点を
持つ３つの有焦点２次曲面で構成されており、図におい
て、Ｓ1 は入射面であり、かつ第１面である回転放物
面、Ｓ2 は第２面の回転楕円面の外側反射面、Ｓ3 は第
３面の回転楕円面の内側反射面である。Ｆ1 は無限遠に
存在する第１面Ｓ1 の入射焦点、Ｆ1'は第１面Ｓ1 の射
出焦点である。同様にＦ2 は第２面Ｓ2 の入射焦点、Ｆ
2'は第２面Ｓ2 の射出焦点、Ｆ3 は第３面Ｓ3 の入射焦
点、Ｆ3'は第３面Ｓ3 の射出焦点である。

【００２３】第１面Ｓ1 の射出焦点Ｆ1'と第２面Ｓ2 の
入射焦点Ｆ2 の位置は同じ位置にある。同様に第２面Ｓ
2 の射出焦点Ｆ2'と第３面Ｓ3 の入射焦点Ｆ3 の位置も
同じ位置にあって共焦点な関係にあり、光学像は第３面
Ｓ3 の射出焦点Ｆ3'近傍に形成されるようになってい
る。

【００２４】回転対称軸は第１面の放物面Ｓ1 でＦ1 −
Ｆ1'、第２面の楕円面Ｓ2 でＦ2 −Ｆ2'、第３面の楕円
面Ｓ3 でＦ3 −Ｆ3'であり、これらの軸は同軸でなく、
非同軸に配置されている。また、βjiはｉ面（ｉは整
数）とこのｉ面に続くｊ面の回転対称軸の成す角であ
る。

【００２５】なお、楕円面の内側反射と双曲面の外側反
射は同じ作用をし、この作用と逆の作用をする面は、楕
円面の外側反射と双曲面の内側反射であることが解って
いることから、楕円面と双曲面の内外の面を反射面とし
て多数組み合わせることにより、収差の補正を可能とし
ている。その組み合わせとしては、２枚構成の場合、楕
円面の内側反射と楕円面の外側反射、双曲面の内側反射
と双曲面の外側反射、楕円面の内側反射と双曲面の内側
反射、楕円面の外側反射と双曲面の外側反射の４通りが
考えられる。

【００２６】上記のように構成されたズーム反射光学系
において、十分遠方からの光（平行光）は、第１面の放
物面Ｓ1 に軸外しで入射した後、第１面Ｓ1 の射出焦点
Ｆ1'に集光されようとする。このＦ1'と第２面の楕円面
Ｓ2 の入射焦点Ｆ2 は同位置に置かれており、集光され
ようとする光は第２面の楕円面Ｓ2 の外面で反射し、楕
円面Ｓ2 のもう一つの焦点である射出焦点Ｆ2'から出た
ように反射する。

【００２７】一方、第３面の楕円面Ｓ3 の入射焦点であ
るＦ3 はＦ2'と同位置に置かれており、第２面Ｓ2 によ
り発散した光束は第３面Ｓ3 の楕円面の内側反射面で反
射し、楕円面Ｓ3 の射出焦点であるＦ3'で結像する。

【００２８】通常、光軸があれば、像は光軸に垂直にで
きるが、本実施例では、非同軸のため、像がある軸に垂
直にできるとは一概に言えない。

【００２９】一般に有焦点２次曲面の曲面形状は、焦点
を原点とした極座標で、 ρ（θ）＝Ｌ／（１＋ε・ｃｏｓ（θ）） と表せる。ここで、Ｌは垂直長（内側反射か外側反射か
を決定し、かつ曲面の大きさを表すパラメータ）、εは
離心率（曲面の種類及び内側反射か外側反射を決定する
もの）である。

【００３０】また、上述した非同軸共焦点ズーム反射光
学系の焦点距離ｆａは、理論的解析により次式で表すこ
とができる。

【００３１】

【数１】

【００３２】ここで、ｙp は入射高、θ2 は焦点と光線
が反射面に当たる点とを結ぶ線と対称軸の成す角度、β
i は像面と対称軸の成す角度、Δθは反射点を基準とし
て反射光線と焦点が成す角度を示す。また、添字のυは
任意の面、ｐは入射放物面、ｋは最終面を表す。この式
には２つの対称軸の成す角度βjiは陽に現れていない
が、βjiを変化させることにより、光学系の焦点距離は
連続的に変化する。また、パラメータを上手に選定すれ
ば、ズーム領域全体に渡って、高分解能かつ広視野性が
保たれる。

【００３３】なお、図１のβjiの配置では、焦点距離ｆ
ａは１８２１．４７ｍｍである。また、図２に示すよう
に、図１と同じ反射面を用いて対称軸の成す角度βjiを
共焦点のまま変化させた場合のβjiの配置では、焦点距
離ｆａは１０９４．７７ｍｍとなっている。

【００３４】そして、本実施例では、３つの曲面を非同
軸で共焦点な関係に多面配置しているので、各面の離心
率及び垂直長を変換できるだけでなく、軸と軸の成す角
度（図１のβji）も変化させることができる。

【００３５】また、反射シュミット光学系の入射面に用
いられる曲面のように、回転対称軸の無い非球面加工は
現代においても加工困難であるが、焦点を持つ曲面とし
て本実施例に用いられる放物面、楕円面、双曲面は非球
面であるが、回転対称軸を有し、その軸からかなり離れ
た面の加工でさえ、ダイヤモンドターニング等の超精密
加工技術を用いることによって容易に加工することがで
きる。

【００３６】さらに、従来の同軸に配置されたニュート
ン式等の反射光学系では、第２反射面及びその支持体が
遮光板として働き、赤外線領域のイメージャとして不具
合であったが、本実施例のズーム反射光学系では、各曲
面が非同軸に配置されているので、全光束中に光を遮る
支持体等がなく、赤外線イメージャ用にも最適である。

【００３７】なお、十分遠方に物体が有る場合には、焦
点が無限遠に有ると考えられる放物面を入射面とする必
要があり、又、アフォーカル系の反射光学系では、入射
面と射出面が回転放物面で構成されている。

【００３８】また、屈折光学系で面を減らすために、小
数の面に球面を基本とした非球面の導入がよく行われて
いるが、本実施例では、この考えを適用し、焦点を持つ
面形状、すなわち、有焦点２次曲面である回転放物面、
回転楕円面、回転２葉双曲面、球面、平面を基本とし
て、その面から微小に変形して反射光学系を構成するこ
とにより、曲面の枚数を減少させることができる。

【００３９】ところで、本実施例では、使用される曲面
が３面構成であるが、曲面を上述した非同期共焦点配置
とすれば、何面でも構成することができ、それに伴って
変化させられるパラメータの数も増加し、イメージフォ
ーマット面周辺まで収差の無いズーム反射光学系を設計
することができる。

【００４０】また、本実施例では、３本の回転対称軸
は、全て２次元の平面内（本紙面）に含まれているが、
各回転対称軸を３次元的に配置してもよい。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、光軸を持たない非同軸
のため、多くの反射面が導入でき、焦点を持つ反射面を
前後の面で共焦点配置とすることにより、狭義の意味の
球面収差が完全に除かれた光学系の構成が常に保証さ
れ、共焦点のまま回転対称軸の成す角度を変化させるこ
とにより、連続的に光学系全体の焦点距離を可変するこ
とができる。また、さらに多くの面の導入により、パラ
メータが多く取れ、それ等のパラメータを上手に選定す
ることにより、ズーム化された広視野高分解能の反射光
学系を実現することができる。

【００４２】また、本発明で用いる面は全て回転対称軸
を持っているので、非球面と言えども、現代の超精密加
工技術を用いれば容易に加工できる。

【００４３】さらに、従来のズーム反射光学系は、各反
射面が同軸に配置されているため、図３の例からもわか
るように、第２及び第３反射面とその支持体が遮光板と
して働き、赤外線領域のイメージャとして不具合であっ
たが、本発明のズーム反射光学系では、各曲面が非同軸
に配置されているので、全光束中に光を遮る支持体等が
なく、赤外線イメージャ用にも最適である。

【００４４】また、焦点を持つ面形状を基本として、そ
の面から微小に変形させることにより、使用される曲面
を減少することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による３面構成の結像型非同軸共焦点ズ
ーム反射光学系の一実施例を示す図

【図２】図１と同一の反射面を用いて回転対称軸の成す
角度βjiを変化させた時の反射光学系を示す図

【図３】従来の光軸のある４枚構成の同軸ズーム反射光
学系の一構成例を示す図

【符号の説明】

Ｓ1 …回転放物面（第１面）、Ｓ2 …回転楕円面（第２
面）、Ｓ3 …回転楕円面（第３面）、Ｆ1 …第１面の入
射焦点、Ｆ1'…第１面の射出焦点、Ｆ2 …第２面の入射
焦点、Ｆ2'…第２面の射出焦点、Ｆ3 …楕円面の入射焦
点、Ｆ3'…第３面の射出焦点、Ｆ1 −Ｆ1'…第１面の回
転対称軸、Ｆ2 −Ｆ2'…第２面の回転対称軸、Ｆ3 −Ｆ
3'…第３面の回転対称軸、β…回転対称軸間の成す角。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 焦点を持つ曲面を複数枚用い、かつその
   曲面の一部を反射面とし、各々の反射面は回転対称軸を
   持ち、その個々の回転対称軸のうちの少なくとも１つ
   は、ある１つの固定された直線上に置かない配置で、か
   つ任意のある曲面の焦点とその前後の曲面の焦点とを同
   一位置に置き、該前後の曲面の２つの対称軸の成す角度
   の変化により焦点距離が連続的に変化することを特徴と
   する非同軸共焦点ズーム反射光学系。
2. 【請求項２】 前記曲面の最初の入射面を回転放物面と
   した請求項１記載の非同軸共焦点ズーム反射光学系。
3. 【請求項３】 前記曲面の最初の入射面及び最後の射出
   面を回転放物面とした請求項１記載の非同軸共焦点ズー
   ム反射光学系。
4. 【請求項４】 前記曲面は、焦点を持つ面形状を基本と
   して、その面から微小に変形した請求項１記載の非同軸
   共焦点ズーム反射光学系。