JP2598528B2 - 連続可変焦点全反射光学装置 - Google Patents

連続可変焦点全反射光学装置

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JP2598528B2
JP2598528B2 JP1270166A JP27016689A JP2598528B2 JP 2598528 B2 JP2598528 B2 JP 2598528B2 JP 1270166 A JP1270166 A JP 1270166A JP 27016689 A JP27016689 A JP 27016689A JP 2598528 B2 JP2598528 B2 JP 2598528B2
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レイシー・ジー・クック
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ヒューズ・エアクラフト・カンパニー
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/02—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system
    • G02B17/06—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror
    • G02B17/0694—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror with variable magnification or multiple imaging planes, including multispectral systems

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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、反射型望遠鏡装置に係り、特に、全反射
可変焦点光学装置に関する。
（従来技術、発明が解決しようとする課題） 地上から天体を観測する場合に用いられる従来の高品
質望遠鏡の性能は、望遠鏡の構成上と地球上の大気の両
方から制約を受けている。どちらかといえば、主に、地
球上の大気から制約を受けている。この大気の影響によ
って、望遠鏡の分解能に制約が与えられるばかりでな
く、大部分の電磁スペクトルが吸収される。これまで
は、この制約は僅かに解消されただけあり、今日、人工
衛星或いは宇宙船の助けを借りることで、大気の上層部
或いは地球圏外に望遠鏡を位置することが可能になり、
大気による妨害（インターフェア）が取除かれた観測が
可能になりつつある。この結果、新しい環境に対して十
分に効果を発揮できる望遠鏡が必要とされている。ま
た、この発明は、他の環境（即ち、地球上）における飛
行船或いは基地等の離れた対称物を観測するために利用
されることも容易に理解される。
コーシュ（Korsch）による米国特許第4,101,195号に
は、この形態の望遠鏡が開示されている。この参照例に
は、３枚ミラーのアナスチグマチック（非点収差が取除
かれた系）光学系を有する全反射連続可変焦点が開示さ
れている。この望遠鏡は、第１及び第２のミラーが同一
の形状に形成されるカセグレイン（Cassegrain）形式の
もので、実像は、第１ミラーの陰に形成される。画像
は、接眼ユニットの第３ミラーによって再形成され、第
１及び第２のミラーの光軸に対して平行に、或いは、第
１及び第２のミラーの光軸から離れて配置される可視用
平面に拡大される。
また、ズーム光学装置の効果は従来の技巧より公知で
ある。しかしながら、従来から公知であるズーム光学装
置においては、実質的に全て屈折光学装置が用いられて
いる。一般に、屈折光学装置には、以下に記述するよう
な問題点がある。屈折光学装置は、スペクトルによる制
約及び色収差を有している。この屈折光学装置が有す
る。制約及び放射光線の欠損はかなり大きい。さらに、
屈折光学装置は、熱変化に感度を有するとともに、装置
全体がかなり重いものとなってしまう。
（発明の概略） この発明は、屈折光学装置にみられる問題点を除去
し、幅広いレンジを有するズーム光学装置を提供するも
のである。この発明は、少なくとも１枚のミラーが移動
することで焦点距離或いは視野、及び、その両方を変化
することができる３枚ミラーのアナスチグマチック（非
点収差が取除かれた系）光学系を有する全反射連続可変
焦点光学装置を提供するものである。この光学装置は、
サーチや捕捉に際しては、高速で、大まかな分解能を有
する広い視野と幅広いズームレンジを有する。また、追
跡や細部にわたるイメージングに際しては、低速で、高
い分解能を有する狭い視野を提供する。好ましい実施例
によれば、反射連続ズーム光学装置は、以下のように形
成される。概ね光軸中心に中心開口を有する第１のミラ
ー。第１のミラーに対向配置されている第２のミラー。
第２のミラーは、第１のミラーより直径が小さく、対象
物からの光が周辺部を通過できるよう第１のミラーの中
心軸と概ね軸対称に配置される。この第２のミラーによ
って反射された第１のミラーからの光は、第１のミラー
の中心開口を通過する。さらに、この光学装置は、観測
される対称物からの反射画像を通常の状態に再生する機
構を備えている。反射機構は、第２のミラーからの光を
受ける位置に配置され、焦点距離或いは視野、及び、そ
の両方を変化できる複数の位置に移動可能である。
（実施例） 第１図及び第２図には、第１ミラー10、第２ミラー12
及び第３ミラー14を有するアナスチグマチック（非点収
差が取除かれた系）光学装置の光軸を含む基準面を垂直
な方向から見た（along−scan）概略線図、及び、光軸
を含む基準面に平行な方向から見た（cross−scan）概
略線図が示されている。この装置はまた、開口絞り18及
び焦点面22を備えている。
第１ミラー10は、中心開口28及び装置の光軸を定義す
る中心軸26を備えている。第１ミラー10は、正のパワー
を有し、楕円錐或いは高次の非球面ミラーに形成され
る。
第２ミラー12は、負のパワーを有し、第１ミラー10の
中心軸26を伴なって概ね軸対称に配置されている。第２
ミラー12は、第１ミラー10よりも小さい直径を有し、双
曲円錐或いは高次の非球面ミラーに形成される。
第３ミラー14は、正のパワーを有するミラーである。
第３ミラー14は、楕円錐ミラー或いは高次の非球面ミラ
ーに形成される。第３ミラー14は、第６図乃至第９図に
詳述する本願出願人によるこの出願に関連した、“複数
焦点距離、複数視野を有する３方式アナスチグマートミ
ラー”と称する米国特許第2591,012号（この発明と同一
発明者によってこの出願の譲渡人に譲渡され同日に出願
された）の明細書に含まれている記載を参照した単第３
ミラー或いは複数の第３ミラーに形成されても良い。
第３ミラー14は、第５図に示すように通常少なくとも
一対の平面折返しミラーと組合わせれる。折返しミラー
は、通常移動ミラーであって、第３ミラー14が反射した
或いは第３ミラー14へ向かう光ビーム30に関連して移動
する。折返しミラーが移動することによって、装置の焦
点距離或いは視野、または、その両方が変化される。
観測される対象物は、第１のミラー10によって反射さ
れる。即ち、観測される対象物からの光ビーム30は、第
１のミラー10から第２のミラー12へ反射される。光ビー
ム30は、第２のミラー12で反射され、第１のミラー10の
中心開口28を通過する。光ビーム30が通過する中心開口
28の前側或いは後側には、第１及び第２のミラーによる
観測される対象物の中間像31が形成される。
光ビーム30によって形成された中間像は、装置の残り
部分（即ち、第３ミラー）によって反射され、最終的に
焦点面22に実像として再画像形成される。
一般に、中心開口28を通過した光ビーム30は、固定式
平面ミラー32から第１の組をなす移動可能な平面折返し
ミラー34へ向かって反射される。第１の組をなす移動可
能な平面折返しミラー34は、第５図に２点鎖線で示され
るように、第３ミラー14に向かう或いはミラー14から離
れる方向に移動可能である。光ビーム30は、第１の組を
なす移動可能な平面折返しミラー34から第３ミラー14へ
反射される。光線30は、第３ミラー14から第２の組をな
す移動可能な平面折返しミラー36へ反射される。第２の
組をなす移動可能な平面折返しミラー36もまた第３ミラ
ー14に向かう或いはミラー14から離れる方向に移動可能
である。光ビーム30は、第２の組をなす移動可能な平面
折返しミラー36で反射され、開口絞り18を介して焦点面
22に配置された電気的受光装置38へ到達する。電気的受
光装置38は、検出器アレイ或いは同様のものが用いられ
る。
移動可能な平面ミラー34,36及び第３ミラー14は、第
１ミラー10及び第２ミラー12を介して観測される画像の
焦点距離或いは視野、もしくは、その両方に変化をもた
らす。従って、装置は、サーチや捕捉及び追跡や細部に
わたるイメージングに最適なズーム（連続可変）レンジ
（範囲）を提供する。この装置においては、ズーム移動
に対して開口絞り18の位置は複数存在するが、第３ミラ
ー14から開口絞り18の距離は概ね一定である。また、実
用面においても、曲面ミラー、開口絞り及び焦点面が固
定されたものが好まれる。
第１図及び第２図において、焦点面22は、光軸から共
通のオフセットを有している。しかしながら、第３ミラ
ー14の最大拡大率によって、対応する中間画像31は、光
軸から大きくオフセットしてしまう。その結果、共通の
オフセットラインは、ズーム走査によって僅かに傾く。
しかしながら、このオフセットラインの僅かな傾きは、
装置の効果に影響を与えるものではない。
第３図及び第４図には、第１図及び第２図に示された
光ビーム30を逆向きに追跡した例が示されている。焦点
面22上の画像は、大きなオフセットを有している。第３
ミラー14の最大拡大率に共応したこのオフセットは、中
間像31に一定の或いは共通のオフセットを生じさせる。
従って、共通のオフセットラインは、ズーム走査によっ
て傾くことがない。上述したいづれか一方のオフセット
の仕掛けは、他の一方と同じである。
第５図には、ハウジング或いはチューブ40によって第
１ミラー10及び第２ミラー12が覆われている一般的な光
学装置の最良の状態が示されている。ハウジングの別の
部分42は、チューブ40に結合されている。第１の駆動ギ
ヤボックス44は、第１の組をなす移動可能な平面折返し
ミラー34を駆動するためにキャリッジ46を介して第１の
組をなす移動可能な平面折返しミラー34に結合されてい
る。第２の駆動ギヤボックス48は、第２の組をなす移動
可能な平面折返しミラー36を駆動するためにキャリッジ
50を介して第２の組をなす移動可能な平面折返しミラー
36に結合されている。また、赤外域の電磁スペクトルに
よる画像形成を考慮して、電気的受光装置を冷却するた
めの冷却装置がハウジングに結合されても良い。第３ミ
ラーがズーム範囲全体にわたって移動できるならば、移
動可能な組をなす平面折返しミラーが除去できることは
いうまでもない。
この発明に関する光学装置に用いられる光学部材の特
性を表１に示す。
＊ 高次の非球面形状は、以下の式によって導かれる。
ｚ＝面のたわみ ｃ＝1/半径 ｋ＝cc＝円錐定数＝−（偏心）２ ρ２＝x2＋y2 ｄ＝0.32497×10-5 ｅ＝0.36639×10-8 ズーム形態 入射瞳 30.0 mm 有効焦点距離 154.2 mm Ｆ（光学速度） 5.14 視野角 ３゜ ズーム形態 入射瞳 30.0 mm 有効焦点距離 225.0 mm Ｆ（光学速度） 7.50 視野角 2.25゜ ズーム形態 入射瞳 30.0mm 有効焦点距離 305.5mm Ｆ（光学速度） 10.2 視野角 1.5゜ 第６図乃至第９図を用いて、第３ミラーの詳細を説明
する。この例においては、第３ミラーは、複数のミラー
を備えた光学装置が示されている。
３枚ミラーアナスチグマチック（非点収差が取除かれ
た系）光学装置は、第１ミラー10、第２ミラー12及び２
枚以上の第３ミラー14,16を有している。３枚ミラーア
ナスチグマチック光学装置はまた、２つ以上の開口絞り
18,20及び２つ以上の焦点面22,24を備えている。また、
この光学装置は、図示しない、複数の平面折返しミラー
と組合わせれる。
第１ミラー10は、中心軸26に定義され、中心開口28を
備えている。第１ミラー10は、正のパワーを有し、楕円
錐或いは高次の非球面ミラーに形成される。
第２ミラー12は、負のパワーを有し、第１ミラー10の
中心軸26を伴なって概ね軸対称に配置されている。第２
ミラー12は、第１ミラー10よりも小さい直径を有し、双
曲円錐或いは高次の非球面ミラーに形成される。
第３ミラー14,16は、正のパワーを有するミラーであ
る。第３ミラー14,16は、楕円錐或いは高次の非球面ミ
ラーに形成される。
通常、第３ミラー14及び16の基本半径は、同一に形成
される。しかしながら、この装置においては、第３ミラ
ー14及び16は、異なる特性の楕円錐ミラー或いは高次の
非球面ミラーに形成される。第３ミラー14及び16は、そ
の基本半径が概ね等しく、この装置におけるペツバル和
（Petzval Sum）が概ね０になるよう、それぞれの焦点
面が形成される。
第６図及び第７図において、対象物からの光ビーム30
は、第１ミラー10へ伝達される。光ビーム30は、第１の
ミラー10から第２のミラー12へ反射される。第２ミラー
12によって受けられた光ビーム30は、第３ミラー14及び
16へ向かって反射される。光ビーム30は、（図示しな
い）平面折返しミラーによって第３ミラー14及び16によ
って受けられる前に第３ミラー14及び16へ向かって反射
される。この（図示しない）平面折返しミラーは、光ビ
ームが第３ミラー14及び16から反射された後に配置され
ても良い。
第３ミラー14及び16へ向かって通過した光ビーム30
は、中間像32を形成する。光ビーム30の中間像は、第３
ミラー14及び16から開口絞り18及び20を介して、焦点面
22及び24に再形成される。（図示しない）電気的受光装
置即ち検出器アレイ等が焦点面22及び24に配置され、実
像が検出される。各焦点面は、異なる焦点距離における
実像を検出する。また、各焦点面は、異なる視野を有し
ている。この場合、異なる電気的受光装置がそれぞれの
焦点面に配置されて、それぞれの焦点面で異なる画像が
検出される。例えば、分解能が大まかでよい広い範囲に
わたる環境の観測においては、電気的受光装置としての
赤外線検出器が用いられてもよい。同様に、同一環境を
高い分解能で観測する場合には、可視光検出器が用いら
れても良い。従って、この装置は、異なる焦点距離、分
解能及び視野によって対象物を同時に観測することがで
きる。また、各焦点面において異なる検出器が用いられ
ても良い。
第６図及び第７図には、F/22、線視野0.15゜及びF/1
4、線視野0.5゜に設定された第３ミラー14及び16を有す
る望遠鏡の光軸を含む基準面を垂直な方向から見た（al
ong−scan）概略線図、及び、光軸を含む基準面に平行
な方向から見た（cross−scan）概略線図が示されてい
る。また、第８図及び第９図から理解されるように、第
８図には、２つの線視野が光軸に対して異なる側に配置
される例が、第９図には、２つの線視野が光軸に対して
同じ側に配置される例が示されている。視野は、上述し
た装置及びその配置に依存することから、光軸に対して
互いに異なる側に配置されても、同じ側に配置されても
良い。
F/22、線視野0.15゜に形成された第３ミラー14は、第
１ミラー10の曲率中心部（頂点、Vertex）よりも左側
（第２ミラー側）に配置される。このミラー14は、２倍
の拡大に用いられる。視野を横切る幾何学的80％錯乱円
の直径（geometrical 80％ blur diameters）は、均一
化され、平均約0.1〜0.2μrad（マイクロラジアン）で
ある。
F/14、線視野0.5゜に形成された第３ミラー16は、第
１ミラー10の曲率中心部（Vertex、頂点）よりも右側
（第１ミラーの外側）に配置される。このミラー16は、
等倍に用いられる。この場合、平均約1.0〜2.0μradで
ある視野を横切る幾何学的80％錯乱円の直径によって、
残留収差が再形成される。実像を中間像から離れる方向
に移動させ、開口絞りを接近して供給するために、光軸
を含む基準面に平行な方向（垂直方向から見る方向に直
交する方向）に視野をオフセットさせることが必要であ
る。第６図及び第７図において、焦点面22は概ね0A゜、
また、焦点面24は概ね0B゜オフセットされている。この
視野のオフセットの差は、32で示される中間像の領域の
２つの線視野の分離を確実にする。画像の分離は、光軸
方向における後方に接続される２つの光学装置及び外装
を分離するための複数の折返しミラーの使用を可能にす
る。ここで、第１ミラー及び第２ミラーが傾けられた
り、中心が光軸から外されることがなければ、第８図及
び第９図に示したように、２つの線視野が光軸に対して
異なる側に、或いは、２つの線視野が光軸に対して同じ
側に配置される。この分離角は、最大0A゜＋0B゜から最
小0A゜−0B゜になる。この効果、及びまたは、外装によ
る制約は、この形態或いは他の形態によって発生され
る。
この発明の実施例である上述の記載においては、この
発明の望遠鏡から逸脱することなく、光学特性の変形或
いは変更が可能であることはいうまでもない。
この発明は、従来のズームレンズを凌ぐ長所を有して
いる。この発明が用いられる全反射光学装置は、ズーム
光学装置に提供される。この発明は、大まかな分解能に
より光学速度を高速化し、サーチや捕捉に適した広い視
野と幅広いズームレンジを提供する。また、この発明
は、光学速度を低速化させ、高い分解能により追跡や細
部にわたるイメージングに最適な狭い視野を提供する。
この発明は、フラット焦点面に高分解能の画像を形成で
きる連続したレンジが接続され、第３ミラーが移動され
るカセグレインの光学装置（Cassegrain foreoptic sys
tem）に用いることも可能である。
上記に開示されたこの発明の装置は単なる例に過ぎ
ず、上記説明を基にしてこの発明をいかようにも変形で
きることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
第１図は、この発明の概念に関する装置の光軸を含む基
準面を垂直な方向から見た（along−scan）概略線図； 第２図は、第１図の装置を光軸を含む基準面に平行な方
向からみた（cross−scan）概略線図； 第３図は、この発明の概念に関する別の装置の光軸を含
む基準面を垂直な方向から見た（along−scan）概略線
図； 第４図は、第３図の装置を光軸を含む基準面に平行な方
向からみた（cross−scan）概略線図、 第５図は、この発明に関する装置に組込まれる光学機構
の垂直断面における概略図； 第６図は、この発明の第３ミラーに関する装置の光軸を
含む基準面を垂直な方向から見た（along−scan）概略
線図； 第７図は、第６図の装置を光軸を含む基準面に平行な方
向からみた（cross−scan）概略線図； 第８図は、２つの線視野が光軸に対して異なる側に配置
される例を示す側面図； 第９図は、２つの線視野が光軸に対して同じ側に配置さ
れる例を示す側面図である。 10……第１ミラー、12……第２ミラー、14,16……第３
ミラー、18,20……開口絞り、22,24……焦点面、30……
光線、31,32……中間像、34……第１折曲げミラー、36
……第２折曲げミラー、46……第１ギヤボックス、50…
…第２ギヤボックス、

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】正のパワーを有し、中心軸を含む概ね中央
    部に開口が形成されて、所望の位置に固定されている第
    １のミラーと、 負のパワーを有し、対象物からの光ビームが周辺部を通
    過できるよう前記第１のミラーよりも小さな直径、且
    つ、前記第１のミラーの前記中央部の開口へ反射光を通
    過させるために、前記第１のミラーの中心軸に概ね軸対
    称に形成され、前記第１のミラーに対向する所望の位置
    に固定された第２のミラーと、 前記第２のミラーからの光ビームを受ける位置に配置さ
    れ、焦点距離を変化可能な光軸を含む複数の位置に移動
    可能で、前記第１及び第２のミラーの位置に関連して所
    望の位置に固定されるとともに、前記対象物の画像を可
    視化する平面との間に規定される焦点距離を切り替えつ
    つ、前記可視用平面に反射する反射手段とを備えた連続
    可変焦点全反射光学装置。
  2. 【請求項２】前記画像を可視用平面に反射する反射手段
    は、１或いは複数の第３のミラーを有する請求項１記載
    の連続可変焦点全反射光学装置。
  3. 【請求項３】前記１或いは複数の第３のミラーは、正の
    パワーを有する請求項２記載の連続可変焦点全反射光学
    装置。
  4. 【請求項４】前記画像を可視用平面に反射する反射手段
    は、焦点距離を変化させる、第３のミラーに接近する或
    いは離れる方向に移動可能な、１或いは複数の組をなす
    移動可能な平面折返しミラーを有する請求項２記載の連
    続可変焦点全反射光学装置。
  5. 【請求項５】前記画像を可視用平面に反射する反射手段
    からの光ビームを受ける可視用平面には、電気的受光装
    置が配置されている請求項１記載の連続可変焦点全反射
    光学装置。
  6. 【請求項６】正のパワーを有し、中心軸を含む概ね中央
    部に開口が形成されて、所望の位置に固定されている第
    １のミラーと、 負のパワーを有し、対象物からの光ビームが周辺部を通
    過できるよう前記第１のミラーよりも小さな直径、且
    つ、前記第１のミラーの前記中央部の開口へ反射光を通
    過させるために、前記第１のミラーの中心軸に概ね軸対
    称に形成され、前記第１のミラーに対向する所望の位置
    に固定された第２のミラーと、 前記第２のミラーからの光ビームを受ける位置に配置さ
    れ、視野を変化可能な光軸を含む複数の位置に移動可能
    で、前記第１及び第２のミラーの位置に関連して所望の
    位置に固定されるとともに、前記対象物の画像を可視化
    する平面との間に規定される視野を切り替えつつ、前記
    可視用平面に反射する反射手段とを備えた連続可変焦点
    全反射光学装置。
  7. 【請求項７】前記画像を可視用平面に反射する反射手段
    は、１或いは複数の第３のミラーを有する請求項６記載
    の連続可変焦点全反射光学装置。
  8. 【請求項８】前記可視用平面には、電気的受光装置が配
    置されている請求項６記載の連続可変焦点全反射光学装
    置。
  9. 【請求項９】中心軸を含み、概ね中央部に開口を有し、
    所望の位置に固定されるとともに、正のパワーが与えら
    れている第１のミラーと、 負のパワーを有し、対象物からの光ビームが周辺部を通
    過できるよう前記第１のミラーよりも小さな直径、且
    つ、前記第１のミラーの前記中央部の開口へ反射光を通
    過させるために、前記第１のミラーの中心軸に概ね軸対
    称に形成され、前記第１のミラーに対向する所望の位置
    に固定されて、中間像を形成する第２のミラーと、 前記第２のミラーからの光ビームを受ける位置に配置さ
    れ、焦点距離及び視野を変化可能な光軸を含む複数の位
    置に移動可能で、前記第１及び第２のミラーの位置に関
    連して所望の位置に固定され、前記対象物の画像を可視
    化する平面との間に規定される焦点距離及び視野を切り
    替えつつ、前記可視用平面に反射する反射手段とを備え
    た連続可変焦点全反射光学装置。
  10. 【請求項１０】前記可視用平面には、電気的受光装置が
    配置されている請求項９記載の連続可変焦点全反射光学
    装置。
  11. 【請求項１１】正のパワーを有し、光軸を含む概ね中央
    部に開口が形成され、所望の位置に固定されている第１
    のミラーと、 負のパワーを有し、対象物からの光ビームが周辺部を通
    過できるよう前記第１のミラーよりも小さな直径、且
    つ、前記第１のミラーの前記中央部の開口へ反射光を通
    過させるために、前記第１のミラーの光軸に概ね軸対称
    に形成され、前記第１のミラーに対向する所望の位置に
    固定されて、中間像を形成する第２のミラーと、 倍率に応じて規定される所望の位置に移動可能であっ
    て、前記対象物の像を電気信号に変換する光電変換素子
    と、 正のパワーを有する１或いは複数のミラーを含み、前記
    光軸に沿って、前記第２のミラーと前記光電変換素子と
    の間を移動することで、焦点距離及び視野を変化可能に
    形成され、前記第２のミラーからの前記中間像を、前記
    倍率に応じて規定された位置に配置された光電変換素子
    に、前記焦点距離及び視野を変化させつつ反射させる反
    射手段とを含む連続可変焦点全反射光学装置。
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