JP4161568B2 - 紫外用及び赤外用反射屈折光学系 - Google Patents
紫外用及び赤外用反射屈折光学系 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、紫外波長域で使用される紫外用反射屈折光学系、及び赤外波長域で使用される赤外用反射屈折光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、リモートセンシングや様々な測定の用途に可視以外の波長域での光学系の需要が増えている。
可視波長域では、様々な光学用ガラスが使用できる一方、紫外波長域や赤外波長域では、その波長域において十分な透過率を有している硝材は限定されており、代表的なものとしては、紫外波長領域では石英や蛍石、赤外波長域では、シリコン、ゲルマニウム、ジンクサルファイド（ＺｎＳ）、ジンクセレナイド（ＺｎＳｅ）などが存在する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このように使用できる硝材は限定されるので、屈折系で光学系を構成する場合、可視波長域の光学系と比較して、波長域によっては、色収差補正が困難になる場合がある。
特に紫外波長域では、石英と蛍石の屈折率分散の差が小さく、それぞれの屈折率が小さいため、色収差補正を優先すると他の収差補正が困難になる。
【０００４】
また、赤外波長域では波長域によっては、さらに硝材が限定され、例えば、５μｍから１２μｍの波長域で考えると、十分な透過率を持つ硝材はゲルマニウムとジンクセレナイドとの２種類となり、これらの硝材の組み合わせでは、屈折率の部分分散比の差が大きいため、２次の色収差が大きく残存するという問題がある。
【０００５】
その一方で、古くから色収差の発生しない光学系として、反射光学系が存在するが、一般に反射光学系は非点収差や像面彎曲が発生し易く、広角の光学系が困難であるという問題がある。また、性能を優先すると、非球面を多用することになり、コスト的に不利である。
本発明は、以上の問題に鑑みてなされたもので、比較的広角の、良好に色収差が補正された紫外用及び赤外用反射屈折光学系を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の紫外用反射屈折光学系の一態様は、紫外光透過材料により構成された少なくとも２つの裏面鏡を有し、前記２つの裏面鏡は、光線の入射側から順に配置された、反射面が入射側に対し凸形状をしている裏面鏡と、入射側に対し凹形状のメニスカス形状をしている裏面鏡とであり、前記凹形状のメニスカス形状をしている裏面鏡の屈折率ｎ、入射側の面の曲率半径ｒ1、その反射面の曲率半径ｒ2は、ｎｒ1／（ｎ−１）＜ｒ2＜ｒ1の関係を満たし、全ての透過部が同一種類の紫外光透過材料により構成され、光学系に入射する光束による像の中心が光軸から外れた位置に形成される斜入射光学系であることを特徴とする。
【０００７】
なお、前記凸形状をしている裏面鏡は、前記反射面が部分的に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の紫外用反射屈折光学系。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の原理及び実施形態を説明する。
［本発明の原理］
図１は、本発明の原理を説明する図である。
先ず、色収差の小さい紫外用光学系、又は赤外用光学系を実現するために、裏面反射を利用することが考えられる（図１参照）。
【００１１】
そこで、屈折率がｎ、入射側の面Ｓ１の曲率半径がｒ1、裏面Ｓ２の曲率半径がｒ2、厚みがｄである裏面鏡Ｍ０を考える。この裏面鏡Ｍ０のパワー（１／ｆ，ｆ：近軸焦点距離）は、式（１）で表される。
【数１】
なお、数式中、曲率半径ｒの符号は、入射側に凸の場合を正に採り、入射側に凹の場合を負に採る。
【００１２】
また、ｆが正のときには、レンズは正のパワーを持ち、実像ができ、ｆが負のときには、レンズは負のパワーを持ち、虚像ができる。
簡単のため、この裏面鏡Ｍ０をｄ＝０の薄肉レンズとみなすと、パワー（１／ｆ）は、式（２）で表される。
【数２】
ここで、この裏面鏡Ｍ０の色収差の程度を調べるために、短波長側の光に対するパワー（１／ｆs，ｆs：短波長側の光の焦点距離）と、長波長側の光に対するパワー（１／ｆl，ｆl：長波長側の光の焦点距離）とを比較する。
この裏面鏡Ｍ０の短波長側の光に対する屈折率をｎs、長波長側の光に対する屈折率をｎlとおくと（なお、中心波長の光に対する屈折率はｎとする。）、これらパワーの差は、式（３）で表される。
【数３】
ところで、一般の硝材は短波長の光に対する屈折率の方が長波長の光に対する屈折率よりも大きいという正の屈折率分散を持っている。
そのため、正のパワーを持つ屈折レンズでは、短波長の光に対する焦点距離ｆsと長波長の光に対する焦点距離ｆlとの間には、ｆl＞ｆsという関係がある。
従来の屈折光学系では、異なる屈折率分散を持つ複数の硝材を組み合わせて色収差補正を行っているが、硝材の種類が限定されている紫外波長域や赤外波長域では、色収差補正が困難である。
【００１３】
しかしながら、この裏面鏡Ｍ０においては、正のパワーを付与し、なおかつ長波長側の光に対するパワー（１／ｆl）を短波長側の光に対するパワー（１／ｆs）よりも大きくする、すなわちｆl＜ｆsとすることが可能である。これは実効的に負の屈折率分散を生じさせることに相当する。
すなわち、裏面鏡Ｍ０に正のパワーを付与するべく式（２）＞０とおくと、式（４）が得られる。
【数４】
さらに、実効的に負の屈折率分散を生じさせるべく式（３）＜０とおき、波長に依る屈折率の関係ｎs＞ｎlを用いると、式（５）が得られる。
【数５】
これら式（４）、（５）からは、曲率半径ｒ1及び曲率半径ｒ2についての関係が式（６）のとおり得られる。
【数６】
因みに、屈折率ｎについてはｎ／（ｎ−１）＞１が成立するので、式（６）が成立するのは、ｒ1＜０かつｒ2＜０のときである。すなわち、この裏面鏡Ｍ０は、図１にも示すように、入射側に凹形状をしたメニスカス形状である。
ｒ1＜０，ｒ2＜０であるので、式（６）から、式（７）が得られる。
【数７】
よって、式（７）が成立するよう裏面鏡Ｍ０を構成すれば、この裏面鏡Ｍ０の全体に正のパワーを付与しつつ負の屈折率分散を生じさせることができる。このような裏面鏡Ｍ０を利用すれば、紫外用光学系や赤外用光学系の全体の色収差を小さく抑えることが容易となる。
【００１４】
しかも、この裏面鏡によれば、紫外用光学系又は赤外用光学系の全体に使用される硝材が全て同一の種類であったとしても色収差の補正が可能である。
［第１実施形態］
図２、図３、図４、表１、表２を参照して本発明の第１実施形態を説明する。本実施形態で説明する光学系は、紫外用光学系である。例えば、人工衛星に地上観察用に搭載される光学センサや、別の紫外用光学系の検査に使用される検査用のコリメータなどに使用される。
【００１５】
図２は、本実施形態の紫外用光学系の構成を示す光路図である。
図２に示すように、本実施形態の紫外用光学系は、反射屈折光学系であり、光線の入射側から順に、屈折レンズＬ１、反射鏡Ｍ１、反射鏡Ｍ２、及び屈折レンズＬ２を備える。
反射鏡Ｍ１の中央には、反射鏡Ｍ２から屈折レンズＬ２へと至る光路を確保するための開口が設けられている。
【００１６】
ここで、本実施形態の紫外用光学系において、反射鏡Ｍ１、Ｍ２は、共に裏面鏡である。しかも、一方の反射鏡Ｍ１については、入射側に凹を向けたメニスカス形状をしており、入射側の面Ｍ１ａの曲率半径ｒ1と、裏面Ｍ１ｂの曲率半径ｒ2との間に、式（７）が成立する。
【００１７】
このような裏面鏡を使用すると、上記したように実効的に負の屈折率分散を生じさせることができるので、紫外用光学系の全体での色収差の補正が容易となる。
また、一般に、紫外用光学系に使用できる硝材の種類は限られているが、このような裏面鏡が配置されていれば、紫外用光学系の全ての硝材を同一の種類としたとしても、色収差の補正が可能である。
【００１８】
なお、図２に示す紫外用光学系の絞りは、裏面鏡である反射鏡Ｍ２の裏面Ｍ２ｂである。
［第１実施形態の具体例］
次に、本実施形態の具体例を説明する。
表１は、本実施形態の紫外用光学系の具体例を示すレンズデータである。
【００１９】
なお、表における各面の面番号ｉは、光線の入射順に１〜１０とした。また、括弧内には図２において対応する面の符号を記した。
本具体例の仕様については、焦点距離ｆは１００ｍｍ、Ｆナンバーは３．３、画角は３°、波長範囲は紫外領域の２７０ｎｍ〜４００ｎｍである。
また、本具体例の硝材は全て、この波長範囲で十分に高い透過率の得られる「石英」を使用した。
【表１】
表２は、本具体例に使用した石英の屈折率である。
なお、表には、短波長（２７０ｎｍ）側の光に対する屈折率ｎs、長波長（４００ｎｍ）側の光に対する屈折率ｎl、中心波長（３００ｎｍ）の光に対する屈折率ｎをそれぞれ示した。
【表２】
本具体例では、表１に明かなように、第３面〜第５面が正のパワーを持つメニスカス形状の裏面鏡になっている。
【００２０】
そして、入射側である第３面（及び第５面）の曲率半径ｒ1は、−１１６．４５１３２ｍｍであり、裏面である第４面の曲率半径ｒ2は、−１６３．８０４３１ｍｍであり、屈折率ｎは、１．４８７７９３であるので、ｎｒ1／（ｎ−１）＝−３５５．１８である。よって、本具体例は、式（７）を満たしている。
この第３面〜第５面によれば、実効的に負の屈折率分散を生じさせることができるので、紫外用光学系には単一の硝材（石英）しか使用していないにも拘わらず、色収差の補正が可能となる。
【００２１】
図３は、本具体例の収差図である。
なお、図３中の（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は歪曲収差である。
また、図３中の点線は中心波長（３００ｎｍ）の光に対する収差を、実線は長波長（４００ｎｍ）側の光に対する収差を、一点鎖線は短波長（２７０ｎｍ）側の光に対する収差をそれぞれ示している。
【００２２】
図３（ａ）に明かなように、軸上色収差は良好に（±０．０１ｍｍ以内に）補正されている。
図４は、本具体例のスポットダイアグラムである。
なお、図４において、縦軸の目盛りは像高方向の位置、横軸の目盛りは光軸方向の位置を示す。
【００２３】
なお、像高方向の位置については、入射角（Ｘ°，Ｙ°）を示した。
図４に明かなように、本具体例では、各位置において良好に（１０μｍ以内に）収差補正されている。
［第２実施形態］
図５、図６、図７、表３を参照して本発明の第２実施形態を説明する。ここでは、主に第１実施形態との相違点を説明する。
【００２４】
本実施形態で説明する光学系も、第１実施形態と同様、紫外用光学系である。
図５は、本実施形態の紫外用光学系の構成を示す光路図である。
図５に示すように、本実施形態の紫外用光学系は、第１実施形態と同様、反射屈折光学系であり、光線の入射側から順に、屈折レンズＬ３、反射鏡Ｍ３、反射鏡Ｍ４、及び屈折レンズＬ４を備える。
【００２５】
但し、本実施形態の紫外用光学系は、斜入射で使用しており、入射角は光軸を基準として、軸外し方向に１０°〜２４°、軸外し方向と垂直方向に±７°である。
因みに、このように斜入射で使用すれば、反射光学系であるにも拘わらず光学要素による光束の遮蔽を回避できるので、中心遮蔽がなく、比較的広角な光学系が実現できる。
【００２６】
また、この紫外用光学系は、結像光束が同一光学部材を複数回通るように構成されている。
すなわち、反射鏡Ｍ３は複数種類（ここでは２種類）の部分からなり、その一方の部分（図中下半分）は、屈折レンズＬ３から入射する光を反射鏡Ｍ４の側へ反射させるための反射部、他方の部分（図中上半分）は、反射鏡Ｍ４から入射する光を屈折レンズＬ４の側へ透過させるための透過部となっている。
【００２７】
このように光束を複数回入射させて使用すれば、穴明けなどの加工や調整が簡略化されるので、コスト削減が可能である。
そして、本実施形態の紫外用光学系においても、第１実施形態と同様に、反射鏡Ｍ３の前記一方の部分（図中下半分）、及び反射鏡Ｍ４は、裏面鏡である。
すなわち、反射鏡Ｍ３は、その一方の部分が裏面鏡、他方の部分が屈折レンズとして作用する。
【００２８】
しかも、一方の反射鏡Ｍ４については、入射側に凹を向けたメニスカス形状をしており、入射側の面Ｍ４ａの曲率半径ｒ1と、裏面Ｍ４ｂの曲率半径ｒ2との間に、式（７）が成立する。
したがって、第１実施形態と同様に、紫外用光学系の全体での色収差の補正が容易となる。
【００２９】
また、紫外用光学系の全ての硝材を同一の種類としたとしても、色収差の補正が可能である。
なお、図５に示す紫外用光学系の絞りは、反射鏡Ｍ４の裏面Ｍ４ｂである。
［第２実施形態の具体例］
次に、本実施形態の具体例を説明する。
【００３０】
表３は、本実施形態の紫外用光学系の具体例を示すレンズデータである。
なお、表における各面の面番号ｉは、光線の入射順に１〜１２とした。また、括弧内には図５において対応する面の符号を記した。
本具体例の仕様については、焦点距離ｆは１００ｍｍ、Ｆナンバーは８、画角は１４°×１４°、波長範囲は紫外領域の２７０ｎｍ〜４００ｎｍである。
【００３１】
また、本具体例の硝材は全て、この波長範囲で十分に高い透過率の得られる「石英」を使用した。
【表３】
また、本具体例に使用した石英の屈折率は、第１実施形態の具体例と同様に、表２のとおりである。
【００３２】
本具体例では、表３に明かなように、第６面〜第８面が正のパワーを持つメニスカス形状の裏面鏡になっている。
そして、入射側である第６面（及び第８面）の曲率半径ｒ1は−８０．１３８６５ｍｍであり、裏面である第７面の曲率半径ｒ2は、−１５５．０７３９６ｍｍであり、屈折率ｎは、１．４８７７９３であるので、ｎｒ1／（ｎ−１）＝−２４４．４３である。よって、本具体例は、式（７）を満たしている。
【００３３】
なお、表３では、第６面〜第８面の曲率半径は正の数字になっているが、これは、通常とは逆の向きから光が入射しているためである。数式中では、前記した定義に従って、ｒ1、ｒ2を負の数字にした。
【００３４】
この第６面〜第８面によれば、実効的に負の屈折率分散を生じさせることができるので、紫外用光学系には単一の硝材しか使用していないにも拘わらず、色収差の補正が可能となる。
図６は、本具体例の収差図である。
なお、図６中の（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は歪曲収差である。
【００３５】
また、図６中の点線は中心波長（３００ｎｍ）の光に対する収差を、実線は長波長（４００ｎｍ）側の光に対する収差を、一点鎖線は短波長（２７０ｎｍ）側の光に対する収差をそれぞれ示している。
図６（ａ）に明かなように、軸上色収差は良好に（±０．１ｍｍ以内に）補正されている。
【００３６】
図７は、本具体例のスポットダイアグラムである。
なお、図７において、縦軸の目盛りは像高方向の位置、横軸の目盛りは光軸方向の位置を示す。
なお、像高方向の位置については、入射角（Ｘ°，Ｙ°）を示した。
図７に明かなように、本具体例では、各位置において良好に（１５μｍ以内に）収差補正されている。
【００３７】
［第３実施形態］
図８、図９、図１０、表４、表５を参照して本発明の第３実施形態を説明する。ここでは、主に第１実施形態や第２実施形態との相違点を説明する。
本実施形態で説明する光学系は、赤外用光学系である。例えば、人工衛星に地上観察用に搭載される光学センサや、別の赤外用光学系の検査に使用される検査用のコリメータなどである。
【００３８】
図８は、本実施形態の赤外用光学系の構成を示す光路図である。
図８に示すように、本実施形態の赤外用光学系は、第１実施形態と同様、反射屈折光学系であり、光線の入射側から順に、屈折レンズＬ５、反射鏡Ｍ５、反射鏡Ｍ６、及び屈折レンズＬ６を備える。
但し、本実施形態の赤外用光学系は、反射鏡Ｍ５に対して光線が複数回（ここでは２回）入射しており、反射鏡Ｍ５の中央には、反射鏡Ｍ６から屈折レンズＬ６へと至る光路を確保するための透過部が設けられている。よって、本実施形態においてもコスト削減が可能である。
【００３９】
また、本実施形態の赤外用光学系においても、第１実施形態と同様に、反射鏡Ｍ５の周縁部と、反射鏡Ｍ６とは、裏面鏡である。
すなわち、反射鏡Ｍ５は、その周縁部が裏面鏡、その中央部が屈折レンズとして作用する。
しかも、反射鏡Ｍ５の周縁部は、入射側に凹を向けたメニスカス形状をしており、入射側の面Ｍ５ａの曲率半径ｒ1と、裏面Ｍ５ｂの曲率半径ｒ2との間に、式（７）が成立する。
【００４０】
したがって、第１実施形態と同様、赤外用光学系の全体での色収差を補正することが容易となる。
また、赤外用光学系の全ての硝材を同一の種類としたとしても、色収差の補正が可能である。
従来、色収差の補正は赤外波長域５μｍ〜１２μｍにおいて特に困難だったため、本実施形態の赤外用光学系の有用性は、極めて高い。
【００４１】
なお、図８に示す赤外用光学系の絞りは、反射鏡Ｍ６の裏面Ｍ６ｂである。
［第３実施形態の具体例］
次に、本実施形態の具体例を説明する。
表４は、本実施形態の赤外用光学系の具体例を示すレンズデータである。
なお、表における各面の面番号ｉは、光線の入射順に１〜１２とした。また、括弧内には図８において対応する面の符号を記した。
【００４２】
本具体例の仕様については、焦点距離ｆは１００ｍｍ、Ｆナンバーは１．２、画角は２°、波長範囲は赤外領域の５μｍ〜１２μｍである。
また、本具体例の硝材は全て、この波長範囲で十分に高い透過率の得られる「ゲルマニウム」（Ｇｅ）を使用した。
【表４】
表５は、本具体例に使用したゲルマニウムの屈折率である。
【００４３】
なお、表には、短波長（５μｍ）側の光に対する屈折率ｎs、長波長（１２μｍ）側の光に対する屈折率ｎl、中心波長（７μｍ）の光に対する屈折率ｎをそれぞれ示した。
【表５】
本具体例では、表４に明かなように、第３面〜第５面が正のパワーを持つメニスカス形状の裏面鏡になっている。
【００４４】
そして、入射側である第３面（及び第５面）の曲率半径ｒ1は、−１３３．３６９２５ｍｍであり、裏面である第４面の曲率半径ｒ2は、−１４１．４７７６０ｍｍであり、屈折率ｎは、４．００７２４３であるので、ｎｒ1／（ｎ−１）＝−１７７．７２である。よって、本具体例は、式（７）を満たしている。
この第３面〜第５面によれば、負の屈折率分散を生じさせることができるので、赤外用光学系には単一の硝材しか使用していないにも拘わらず、色収差の補正が可能となる。
【００４５】
図９は、本具体例の収差図である。
なお、図９中の（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は歪曲収差である。
また、図９中の点線は中心波長（７μｍ）の光に対する収差を、実線は長波長（１２μｍ）側の光に対する収差を、一点鎖線は短波長（５μｍ）側の光に対する収差をそれぞれ示している。
【００４６】
図９（ａ）に明かなように、軸上色収差は良好に（±０．００２ｍｍ以内に）補正されている。
図１０は、本具体例のスポットダイアグラムである。
なお、図１０において、縦軸の目盛りは像高方向の位置、横軸の目盛りは光軸方向の位置を示す。
【００４７】
なお、像高方向の位置については、入射角（Ｘ°，Ｙ°）を示した。
図１０に明かなように、本具体例でも、各位置において良好に（１５μｍ以内に）収差補正されている。
［その他］
なお、上記各実施形態では、本発明を、光軸上の像も利用する紫外用光学系（第１実施形態）、斜入射で使用し、かつ複数回入射させて使用する紫外用光学系（第２実施形態）、光軸上の像も利用し、かつ複数回入射させて使用する赤外用光学系（第３実施形態）を示したが、本発明は、如何なる形態で光線の入射する光学系にも適用可能であり、例えば、斜入射で使用される赤外用光学系にも適用が可能である。また、本発明は、光学センサやコリメータ以外にも、赤外波長域や紫外波長域で使用される各種の光学機器に適用が可能である。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、比較的広角で、色収差を補正することの可能な紫外用及び赤外用反射屈折光学系が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の原理を説明する図である。
【図２】図２は、第１実施形態の紫外用光学系の構成を示す光路図である。
【図３】図３は、第１実施形態の具体例の収差図である。
【図４】図４は、第１実施形態の具体例のスポットダイアグラムである。
【図５】図５は、第２実施形態の紫外用光学系の構成を示す光路図である。
【図６】図６は、第２実施形態の具体例の収差図である。
【図７】図７は、第２実施形態の具体例のスポットダイアグラムである。
【図８】図８は、第３実施形態の赤外用光学系の構成を示す光路図である。
【図９】図９は、第３実施形態の具体例の収差図である。
【図１０】図１０は、第３実施形態の具体例のスポットダイアグラムである。
【符号の説明】
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６ 屈折レンズ
Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６ 反射鏡（裏面鏡）
【発明の属する技術分野】
本発明は、紫外波長域で使用される紫外用反射屈折光学系、及び赤外波長域で使用される赤外用反射屈折光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、リモートセンシングや様々な測定の用途に可視以外の波長域での光学系の需要が増えている。
可視波長域では、様々な光学用ガラスが使用できる一方、紫外波長域や赤外波長域では、その波長域において十分な透過率を有している硝材は限定されており、代表的なものとしては、紫外波長領域では石英や蛍石、赤外波長域では、シリコン、ゲルマニウム、ジンクサルファイド（ＺｎＳ）、ジンクセレナイド（ＺｎＳｅ）などが存在する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このように使用できる硝材は限定されるので、屈折系で光学系を構成する場合、可視波長域の光学系と比較して、波長域によっては、色収差補正が困難になる場合がある。
特に紫外波長域では、石英と蛍石の屈折率分散の差が小さく、それぞれの屈折率が小さいため、色収差補正を優先すると他の収差補正が困難になる。
【０００４】
また、赤外波長域では波長域によっては、さらに硝材が限定され、例えば、５μｍから１２μｍの波長域で考えると、十分な透過率を持つ硝材はゲルマニウムとジンクセレナイドとの２種類となり、これらの硝材の組み合わせでは、屈折率の部分分散比の差が大きいため、２次の色収差が大きく残存するという問題がある。
【０００５】
その一方で、古くから色収差の発生しない光学系として、反射光学系が存在するが、一般に反射光学系は非点収差や像面彎曲が発生し易く、広角の光学系が困難であるという問題がある。また、性能を優先すると、非球面を多用することになり、コスト的に不利である。
本発明は、以上の問題に鑑みてなされたもので、比較的広角の、良好に色収差が補正された紫外用及び赤外用反射屈折光学系を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の紫外用反射屈折光学系の一態様は、紫外光透過材料により構成された少なくとも２つの裏面鏡を有し、前記２つの裏面鏡は、光線の入射側から順に配置された、反射面が入射側に対し凸形状をしている裏面鏡と、入射側に対し凹形状のメニスカス形状をしている裏面鏡とであり、前記凹形状のメニスカス形状をしている裏面鏡の屈折率ｎ、入射側の面の曲率半径ｒ1、その反射面の曲率半径ｒ2は、ｎｒ1／（ｎ−１）＜ｒ2＜ｒ1の関係を満たし、全ての透過部が同一種類の紫外光透過材料により構成され、光学系に入射する光束による像の中心が光軸から外れた位置に形成される斜入射光学系であることを特徴とする。
【０００７】
なお、前記凸形状をしている裏面鏡は、前記反射面が部分的に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の紫外用反射屈折光学系。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の原理及び実施形態を説明する。
［本発明の原理］
図１は、本発明の原理を説明する図である。
先ず、色収差の小さい紫外用光学系、又は赤外用光学系を実現するために、裏面反射を利用することが考えられる（図１参照）。
【００１１】
そこで、屈折率がｎ、入射側の面Ｓ１の曲率半径がｒ1、裏面Ｓ２の曲率半径がｒ2、厚みがｄである裏面鏡Ｍ０を考える。この裏面鏡Ｍ０のパワー（１／ｆ，ｆ：近軸焦点距離）は、式（１）で表される。
【数１】
【００１２】
また、ｆが正のときには、レンズは正のパワーを持ち、実像ができ、ｆが負のときには、レンズは負のパワーを持ち、虚像ができる。
簡単のため、この裏面鏡Ｍ０をｄ＝０の薄肉レンズとみなすと、パワー（１／ｆ）は、式（２）で表される。
【数２】
この裏面鏡Ｍ０の短波長側の光に対する屈折率をｎs、長波長側の光に対する屈折率をｎlとおくと（なお、中心波長の光に対する屈折率はｎとする。）、これらパワーの差は、式（３）で表される。
【数３】
そのため、正のパワーを持つ屈折レンズでは、短波長の光に対する焦点距離ｆsと長波長の光に対する焦点距離ｆlとの間には、ｆl＞ｆsという関係がある。
従来の屈折光学系では、異なる屈折率分散を持つ複数の硝材を組み合わせて色収差補正を行っているが、硝材の種類が限定されている紫外波長域や赤外波長域では、色収差補正が困難である。
【００１３】
しかしながら、この裏面鏡Ｍ０においては、正のパワーを付与し、なおかつ長波長側の光に対するパワー（１／ｆl）を短波長側の光に対するパワー（１／ｆs）よりも大きくする、すなわちｆl＜ｆsとすることが可能である。これは実効的に負の屈折率分散を生じさせることに相当する。
すなわち、裏面鏡Ｍ０に正のパワーを付与するべく式（２）＞０とおくと、式（４）が得られる。
【数４】
【数５】
【数６】
ｒ1＜０，ｒ2＜０であるので、式（６）から、式（７）が得られる。
【数７】
【００１４】
しかも、この裏面鏡によれば、紫外用光学系又は赤外用光学系の全体に使用される硝材が全て同一の種類であったとしても色収差の補正が可能である。
［第１実施形態］
図２、図３、図４、表１、表２を参照して本発明の第１実施形態を説明する。本実施形態で説明する光学系は、紫外用光学系である。例えば、人工衛星に地上観察用に搭載される光学センサや、別の紫外用光学系の検査に使用される検査用のコリメータなどに使用される。
【００１５】
図２は、本実施形態の紫外用光学系の構成を示す光路図である。
図２に示すように、本実施形態の紫外用光学系は、反射屈折光学系であり、光線の入射側から順に、屈折レンズＬ１、反射鏡Ｍ１、反射鏡Ｍ２、及び屈折レンズＬ２を備える。
反射鏡Ｍ１の中央には、反射鏡Ｍ２から屈折レンズＬ２へと至る光路を確保するための開口が設けられている。
【００１６】
ここで、本実施形態の紫外用光学系において、反射鏡Ｍ１、Ｍ２は、共に裏面鏡である。しかも、一方の反射鏡Ｍ１については、入射側に凹を向けたメニスカス形状をしており、入射側の面Ｍ１ａの曲率半径ｒ1と、裏面Ｍ１ｂの曲率半径ｒ2との間に、式（７）が成立する。
【００１７】
このような裏面鏡を使用すると、上記したように実効的に負の屈折率分散を生じさせることができるので、紫外用光学系の全体での色収差の補正が容易となる。
また、一般に、紫外用光学系に使用できる硝材の種類は限られているが、このような裏面鏡が配置されていれば、紫外用光学系の全ての硝材を同一の種類としたとしても、色収差の補正が可能である。
【００１８】
なお、図２に示す紫外用光学系の絞りは、裏面鏡である反射鏡Ｍ２の裏面Ｍ２ｂである。
［第１実施形態の具体例］
次に、本実施形態の具体例を説明する。
表１は、本実施形態の紫外用光学系の具体例を示すレンズデータである。
【００１９】
なお、表における各面の面番号ｉは、光線の入射順に１〜１０とした。また、括弧内には図２において対応する面の符号を記した。
本具体例の仕様については、焦点距離ｆは１００ｍｍ、Ｆナンバーは３．３、画角は３°、波長範囲は紫外領域の２７０ｎｍ〜４００ｎｍである。
また、本具体例の硝材は全て、この波長範囲で十分に高い透過率の得られる「石英」を使用した。
【表１】
なお、表には、短波長（２７０ｎｍ）側の光に対する屈折率ｎs、長波長（４００ｎｍ）側の光に対する屈折率ｎl、中心波長（３００ｎｍ）の光に対する屈折率ｎをそれぞれ示した。
【表２】
【００２０】
そして、入射側である第３面（及び第５面）の曲率半径ｒ1は、−１１６．４５１３２ｍｍであり、裏面である第４面の曲率半径ｒ2は、−１６３．８０４３１ｍｍであり、屈折率ｎは、１．４８７７９３であるので、ｎｒ1／（ｎ−１）＝−３５５．１８である。よって、本具体例は、式（７）を満たしている。
この第３面〜第５面によれば、実効的に負の屈折率分散を生じさせることができるので、紫外用光学系には単一の硝材（石英）しか使用していないにも拘わらず、色収差の補正が可能となる。
【００２１】
図３は、本具体例の収差図である。
なお、図３中の（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は歪曲収差である。
また、図３中の点線は中心波長（３００ｎｍ）の光に対する収差を、実線は長波長（４００ｎｍ）側の光に対する収差を、一点鎖線は短波長（２７０ｎｍ）側の光に対する収差をそれぞれ示している。
【００２２】
図３（ａ）に明かなように、軸上色収差は良好に（±０．０１ｍｍ以内に）補正されている。
図４は、本具体例のスポットダイアグラムである。
なお、図４において、縦軸の目盛りは像高方向の位置、横軸の目盛りは光軸方向の位置を示す。
【００２３】
なお、像高方向の位置については、入射角（Ｘ°，Ｙ°）を示した。
図４に明かなように、本具体例では、各位置において良好に（１０μｍ以内に）収差補正されている。
［第２実施形態］
図５、図６、図７、表３を参照して本発明の第２実施形態を説明する。ここでは、主に第１実施形態との相違点を説明する。
【００２４】
本実施形態で説明する光学系も、第１実施形態と同様、紫外用光学系である。
図５は、本実施形態の紫外用光学系の構成を示す光路図である。
図５に示すように、本実施形態の紫外用光学系は、第１実施形態と同様、反射屈折光学系であり、光線の入射側から順に、屈折レンズＬ３、反射鏡Ｍ３、反射鏡Ｍ４、及び屈折レンズＬ４を備える。
【００２５】
但し、本実施形態の紫外用光学系は、斜入射で使用しており、入射角は光軸を基準として、軸外し方向に１０°〜２４°、軸外し方向と垂直方向に±７°である。
因みに、このように斜入射で使用すれば、反射光学系であるにも拘わらず光学要素による光束の遮蔽を回避できるので、中心遮蔽がなく、比較的広角な光学系が実現できる。
【００２６】
また、この紫外用光学系は、結像光束が同一光学部材を複数回通るように構成されている。
すなわち、反射鏡Ｍ３は複数種類（ここでは２種類）の部分からなり、その一方の部分（図中下半分）は、屈折レンズＬ３から入射する光を反射鏡Ｍ４の側へ反射させるための反射部、他方の部分（図中上半分）は、反射鏡Ｍ４から入射する光を屈折レンズＬ４の側へ透過させるための透過部となっている。
【００２７】
このように光束を複数回入射させて使用すれば、穴明けなどの加工や調整が簡略化されるので、コスト削減が可能である。
そして、本実施形態の紫外用光学系においても、第１実施形態と同様に、反射鏡Ｍ３の前記一方の部分（図中下半分）、及び反射鏡Ｍ４は、裏面鏡である。
すなわち、反射鏡Ｍ３は、その一方の部分が裏面鏡、他方の部分が屈折レンズとして作用する。
【００２８】
しかも、一方の反射鏡Ｍ４については、入射側に凹を向けたメニスカス形状をしており、入射側の面Ｍ４ａの曲率半径ｒ1と、裏面Ｍ４ｂの曲率半径ｒ2との間に、式（７）が成立する。
したがって、第１実施形態と同様に、紫外用光学系の全体での色収差の補正が容易となる。
【００２９】
また、紫外用光学系の全ての硝材を同一の種類としたとしても、色収差の補正が可能である。
なお、図５に示す紫外用光学系の絞りは、反射鏡Ｍ４の裏面Ｍ４ｂである。
［第２実施形態の具体例］
次に、本実施形態の具体例を説明する。
【００３０】
表３は、本実施形態の紫外用光学系の具体例を示すレンズデータである。
なお、表における各面の面番号ｉは、光線の入射順に１〜１２とした。また、括弧内には図５において対応する面の符号を記した。
本具体例の仕様については、焦点距離ｆは１００ｍｍ、Ｆナンバーは８、画角は１４°×１４°、波長範囲は紫外領域の２７０ｎｍ〜４００ｎｍである。
【００３１】
また、本具体例の硝材は全て、この波長範囲で十分に高い透過率の得られる「石英」を使用した。
【表３】
【００３２】
本具体例では、表３に明かなように、第６面〜第８面が正のパワーを持つメニスカス形状の裏面鏡になっている。
そして、入射側である第６面（及び第８面）の曲率半径ｒ1は−８０．１３８６５ｍｍであり、裏面である第７面の曲率半径ｒ2は、−１５５．０７３９６ｍｍであり、屈折率ｎは、１．４８７７９３であるので、ｎｒ1／（ｎ−１）＝−２４４．４３である。よって、本具体例は、式（７）を満たしている。
【００３３】
なお、表３では、第６面〜第８面の曲率半径は正の数字になっているが、これは、通常とは逆の向きから光が入射しているためである。数式中では、前記した定義に従って、ｒ1、ｒ2を負の数字にした。
【００３４】
この第６面〜第８面によれば、実効的に負の屈折率分散を生じさせることができるので、紫外用光学系には単一の硝材しか使用していないにも拘わらず、色収差の補正が可能となる。
図６は、本具体例の収差図である。
なお、図６中の（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は歪曲収差である。
【００３５】
また、図６中の点線は中心波長（３００ｎｍ）の光に対する収差を、実線は長波長（４００ｎｍ）側の光に対する収差を、一点鎖線は短波長（２７０ｎｍ）側の光に対する収差をそれぞれ示している。
図６（ａ）に明かなように、軸上色収差は良好に（±０．１ｍｍ以内に）補正されている。
【００３６】
図７は、本具体例のスポットダイアグラムである。
なお、図７において、縦軸の目盛りは像高方向の位置、横軸の目盛りは光軸方向の位置を示す。
なお、像高方向の位置については、入射角（Ｘ°，Ｙ°）を示した。
図７に明かなように、本具体例では、各位置において良好に（１５μｍ以内に）収差補正されている。
【００３７】
［第３実施形態］
図８、図９、図１０、表４、表５を参照して本発明の第３実施形態を説明する。ここでは、主に第１実施形態や第２実施形態との相違点を説明する。
本実施形態で説明する光学系は、赤外用光学系である。例えば、人工衛星に地上観察用に搭載される光学センサや、別の赤外用光学系の検査に使用される検査用のコリメータなどである。
【００３８】
図８は、本実施形態の赤外用光学系の構成を示す光路図である。
図８に示すように、本実施形態の赤外用光学系は、第１実施形態と同様、反射屈折光学系であり、光線の入射側から順に、屈折レンズＬ５、反射鏡Ｍ５、反射鏡Ｍ６、及び屈折レンズＬ６を備える。
但し、本実施形態の赤外用光学系は、反射鏡Ｍ５に対して光線が複数回（ここでは２回）入射しており、反射鏡Ｍ５の中央には、反射鏡Ｍ６から屈折レンズＬ６へと至る光路を確保するための透過部が設けられている。よって、本実施形態においてもコスト削減が可能である。
【００３９】
また、本実施形態の赤外用光学系においても、第１実施形態と同様に、反射鏡Ｍ５の周縁部と、反射鏡Ｍ６とは、裏面鏡である。
すなわち、反射鏡Ｍ５は、その周縁部が裏面鏡、その中央部が屈折レンズとして作用する。
しかも、反射鏡Ｍ５の周縁部は、入射側に凹を向けたメニスカス形状をしており、入射側の面Ｍ５ａの曲率半径ｒ1と、裏面Ｍ５ｂの曲率半径ｒ2との間に、式（７）が成立する。
【００４０】
したがって、第１実施形態と同様、赤外用光学系の全体での色収差を補正することが容易となる。
また、赤外用光学系の全ての硝材を同一の種類としたとしても、色収差の補正が可能である。
従来、色収差の補正は赤外波長域５μｍ〜１２μｍにおいて特に困難だったため、本実施形態の赤外用光学系の有用性は、極めて高い。
【００４１】
なお、図８に示す赤外用光学系の絞りは、反射鏡Ｍ６の裏面Ｍ６ｂである。
［第３実施形態の具体例］
次に、本実施形態の具体例を説明する。
表４は、本実施形態の赤外用光学系の具体例を示すレンズデータである。
なお、表における各面の面番号ｉは、光線の入射順に１〜１２とした。また、括弧内には図８において対応する面の符号を記した。
【００４２】
本具体例の仕様については、焦点距離ｆは１００ｍｍ、Ｆナンバーは１．２、画角は２°、波長範囲は赤外領域の５μｍ〜１２μｍである。
また、本具体例の硝材は全て、この波長範囲で十分に高い透過率の得られる「ゲルマニウム」（Ｇｅ）を使用した。
【表４】
【００４３】
なお、表には、短波長（５μｍ）側の光に対する屈折率ｎs、長波長（１２μｍ）側の光に対する屈折率ｎl、中心波長（７μｍ）の光に対する屈折率ｎをそれぞれ示した。
【表５】
【００４４】
そして、入射側である第３面（及び第５面）の曲率半径ｒ1は、−１３３．３６９２５ｍｍであり、裏面である第４面の曲率半径ｒ2は、−１４１．４７７６０ｍｍであり、屈折率ｎは、４．００７２４３であるので、ｎｒ1／（ｎ−１）＝−１７７．７２である。よって、本具体例は、式（７）を満たしている。
この第３面〜第５面によれば、負の屈折率分散を生じさせることができるので、赤外用光学系には単一の硝材しか使用していないにも拘わらず、色収差の補正が可能となる。
【００４５】
図９は、本具体例の収差図である。
なお、図９中の（ａ）は球面収差、（ｂ）は非点収差、（ｃ）は歪曲収差である。
また、図９中の点線は中心波長（７μｍ）の光に対する収差を、実線は長波長（１２μｍ）側の光に対する収差を、一点鎖線は短波長（５μｍ）側の光に対する収差をそれぞれ示している。
【００４６】
図９（ａ）に明かなように、軸上色収差は良好に（±０．００２ｍｍ以内に）補正されている。
図１０は、本具体例のスポットダイアグラムである。
なお、図１０において、縦軸の目盛りは像高方向の位置、横軸の目盛りは光軸方向の位置を示す。
【００４７】
なお、像高方向の位置については、入射角（Ｘ°，Ｙ°）を示した。
図１０に明かなように、本具体例でも、各位置において良好に（１５μｍ以内に）収差補正されている。
［その他］
なお、上記各実施形態では、本発明を、光軸上の像も利用する紫外用光学系（第１実施形態）、斜入射で使用し、かつ複数回入射させて使用する紫外用光学系（第２実施形態）、光軸上の像も利用し、かつ複数回入射させて使用する赤外用光学系（第３実施形態）を示したが、本発明は、如何なる形態で光線の入射する光学系にも適用可能であり、例えば、斜入射で使用される赤外用光学系にも適用が可能である。また、本発明は、光学センサやコリメータ以外にも、赤外波長域や紫外波長域で使用される各種の光学機器に適用が可能である。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、比較的広角で、色収差を補正することの可能な紫外用及び赤外用反射屈折光学系が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の原理を説明する図である。
【図２】図２は、第１実施形態の紫外用光学系の構成を示す光路図である。
【図３】図３は、第１実施形態の具体例の収差図である。
【図４】図４は、第１実施形態の具体例のスポットダイアグラムである。
【図５】図５は、第２実施形態の紫外用光学系の構成を示す光路図である。
【図６】図６は、第２実施形態の具体例の収差図である。
【図７】図７は、第２実施形態の具体例のスポットダイアグラムである。
【図８】図８は、第３実施形態の赤外用光学系の構成を示す光路図である。
【図９】図９は、第３実施形態の具体例の収差図である。
【図１０】図１０は、第３実施形態の具体例のスポットダイアグラムである。
【符号の説明】
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６ 屈折レンズ
Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６ 反射鏡（裏面鏡）
Claims (2)
- 紫外光透過材料により構成された少なくとも２つの裏面鏡を有し、
前記２つの裏面鏡は、光線の入射側から順に配置された、反射面が入射側に対し凸形状をしている裏面鏡と、入射側に対し凹形状のメニスカス形状をしている裏面鏡とであり、
前記凹形状のメニスカス形状をしている裏面鏡の屈折率ｎ、入射側の面の曲率半径ｒ1、その反射面の曲率半径ｒ2は、ｎｒ1／（ｎ−１）＜ｒ2＜ｒ1の関係を満たし、
全ての透過部が同一種類の紫外光透過材料により構成され、
光学系に入射する光束による像の中心が光軸から外れた位置に形成される斜入射光学系である
ことを特徴とする紫外用反射屈折光学系。 - 前記凸形状をしている裏面鏡は、前記反射面が部分的に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の紫外用反射屈折光学系。
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