JP4491608B2

JP4491608B2 - 望遠鏡

Info

Publication number: JP4491608B2
Application number: JP2005092392A
Authority: JP
Inventors: 正則家; 恭二成相
Original assignee: Inter University Research Institute Corp National Institute of Natural Sciences
Current assignee: Inter University Research Institute Corp National Institute of Natural Sciences
Priority date: 2005-03-28
Filing date: 2005-03-28
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2025-03-28
Also published as: JP2006276234A

Description

この発明は、天体望遠鏡などの望遠鏡に関するものである。

従来の望遠鏡においては、主鏡と副鏡に非球面を用いて球面収差とコマ収差を除去する二面系が主流であった。非球面をもう一枚追加した三面系は原理的にはさらに良い結像性能を達成できる可能性があるが、鏡の影が生じて光を損失する設計が多く、実用になる光学系が一例を除くと無かった（例えば、非特許文献１参照）。

Dietrich Korsch, 「Anastigmatic three-mirror telescope」, APPLIED OPTICS, Vol. 16, No. 8, August 1977, pp. 2074-2077

従来の二面系望遠鏡では、非点収差や像面湾曲が除去できないという課題があった。

また、従来の三面系望遠鏡では、非点収差や像面湾曲をも除去できる設計がいくつか提案されているが、いずれも中央部に光が届かない影の部分（けられ）があり、全視野を有効に利用できないという課題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、けられ無しで球面収差、コマ収差、非点収差、像面湾曲を全て除去できる望遠鏡を得るものである。

この発明に係る望遠鏡は、天頂にある無限遠の天体からの光を反射する楕円面主鏡と、望遠鏡先端に配置され、前記光を再度反射する双曲面副鏡と、前記楕円面主鏡及び前記双曲面副鏡の間に配置され、再度反射された前記光をナスミス焦点に導く平面斜鏡とを備え、前記楕円面主鏡、前記双曲面副鏡、及び前記平面斜鏡が、望遠鏡の軸である鉛直方向のＺ軸に沿って配置され、前記ナスミス焦点がＺ軸に垂直なＸ軸上に位置した望遠鏡において、前記ナスミス焦点に配置され、形状が半円であり、前記平面斜鏡によって導かれた光をＸＹ平面内に展開する場合は全視野の左半分だけ垂直なＹ軸方向に折り曲げる第１の左側平面半月斜鏡と、前記第１の左側平面半月斜鏡によって折り曲げられた光を反射する左側楕円非球面鏡と、前記左側楕円非球面鏡によって反射された光を左側最終焦点面へ導く形状が半円の第２の左側平面半月斜鏡と、前記ナスミス焦点に配置され、形状が半円であり、前記平面斜鏡によって導かれた光をＸＹ平面内に展開する場合は全視野の右半分だけ、前記左側平面半月斜鏡とは反対の垂直なＹ軸方向に折り曲げる第１の右側平面半月斜鏡と、前記第１の右側平面半月斜鏡によって折り曲げられた光を反射する右側楕円非球面鏡と、前記右側楕円非球面鏡によって反射された光を右側最終焦点面へ導く形状が半円の第２の右側平面半月斜鏡とをさらに備え、前記第１の左側平面半月斜鏡、及び前記第１の右側平面半月斜鏡をＸＹ平面内に展開する場合は、前記第１の左側平面半月斜鏡、前記左側楕円非球面鏡、及び前記第２の左側平面半月斜鏡、並びに前記第１の右側平面半月斜鏡、前記右側楕円非球面鏡、及び前記第２の右側平面半月斜鏡は、同一のＸＹ平面に配置され、２枚の前記第１の左側平面半月斜鏡と前記第１の右側平面半月斜鏡は、それぞれの直径部分がＺ軸方向に配置され、それぞれの円周部分がＸＹ平面内でＸ軸から−４５度と＋４５度の位置に置かれ、２枚の前記第２の左側平面半月斜鏡と前記第２の右側平面半月斜鏡は、それぞれの直径部分がＺ軸方向に配置され、Ｙ軸に関して前記第１の左側平面半月斜鏡及び前記第１の右側平面半月斜鏡の反対側に配置されるものである。

この発明に係る望遠鏡は、けられ無しで球面収差、コマ収差、非点収差、像面湾曲を全て除去できるという効果を奏する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る望遠鏡について図１から図３までを参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る望遠鏡の全体構成を示す図である。また、図２は、この発明の実施の形態１に係る望遠鏡を側面からみた部分構成を示す図である。さらに、図３は、この発明の実施の形態１に係る望遠鏡を上方からみた部分構成を示す図である。なお、各図は概念を示すもので各鏡の配置は必ずしも正確ではない。また、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

図１〜図３において、この実施の形態１に係る望遠鏡は、例えば直径３０ｍの楕円面主鏡Ｍ１と、望遠鏡先端に配置された双曲面副鏡Ｍ２と、主鏡Ｍ１の手前に配置された平面斜鏡Ｍ３と、ナスミス焦点面ＦＰ１に配置された平面半月斜鏡Ｍ４Ｌ（第１の半月鏡）と、ナスミス焦点像を再結像する楕円第３非球面鏡Ｍ５Ｌ（第１の非球面鏡）と、視野の半分を最終焦点面ＦＰ２Ｌへ折り曲げる平面半月斜鏡Ｍ６Ｌ（第２の半月鏡）と、最終焦点面ＦＰ２Ｌに配置された検出器ＤＬとが設けられている。

さらに、ナスミス焦点面ＦＰ１に配置された平面半月斜鏡Ｍ４Ｒ（第３の半月鏡）と、ナスミス焦点像を再結像する楕円第３非球面鏡Ｍ５Ｒ（第２の非球面鏡）と、視野の残りの半分を最終焦点面ＦＰ２Ｒへ折り曲げる平面半月斜鏡Ｍ６Ｒ（第４の半月鏡）と、最終焦点面ＦＰ２Ｒに配置された検出器ＤＲとが設けられている。なお、検出器ＤＬ、ＤＲには、ＣＣＤカメラが適用される。

図１に示す立体的な構成図では、視野の右半分を扱う平面半月斜鏡Ｍ４Ｒと、楕円第３非球面鏡Ｍ５Ｒと、平面半月斜鏡Ｍ６Ｒと、最終焦点面ＦＰ２Ｒを省略している。また、図２に示す側面図では、光線を折り曲げるための平面半月斜鏡Ｍ４以降を省いている。さらに、図３に示す平面図では、図２とは逆に、楕円面主鏡Ｍ１と、双曲面副鏡Ｍ２と、平面斜鏡Ｍ３を省いている。

平面半月斜鏡Ｍ４Ｌ、Ｍ４Ｒと、平面半月斜鏡Ｍ６Ｌ、Ｍ６Ｒの外形は、文字（半月）通り、円を半分に割った形である半円である。残りの楕円面主鏡Ｍ１、双曲面副鏡Ｍ２、平面斜鏡Ｍ３、及び楕円第３非球面鏡Ｍ５Ｌ、Ｍ５Ｒの外形は、全部円形である。なお、図３に示す楕円第３非球面鏡Ｍ５Ｌ、Ｍ５Ｒは、それぞれ、Ｘ軸とＹ軸の交点が中心となる球面の一部である。

楕円面主鏡Ｍ１、双曲面副鏡Ｍ２、平面斜鏡Ｍ３、平面半月斜鏡Ｍ４Ｌ、Ｍ４Ｒ、楕円第３非球面鏡Ｍ５Ｌ、Ｍ５Ｒ、及び平面半月斜鏡Ｍ６Ｌ、Ｍ６Ｒの直径は、それぞれ例えば３０ｍ、４．２ｍ、２．９ｍ、２．５ｍ、４ｍ、１．２ｍである。なお、平面半月斜鏡Ｍ４Ｌ、Ｍ４Ｒ、楕円第３非球面鏡Ｍ５Ｌ、Ｍ５Ｒ、及び平面半月斜鏡Ｍ６Ｌ、Ｍ６Ｒは、それぞれ左右（ＬとＲ）同じ大きさ及び形状である。

図１及び図２に示すように、楕円面主鏡Ｍ１と、双曲面副鏡Ｍ２と、平面斜鏡Ｍ３は、望遠鏡の軸（鉛直方向）（Ｚ軸と呼ぶ。）に沿って並んでいる。また、図１及び図３に示すように、平面斜鏡Ｍ３と平面半月斜鏡Ｍ４Ｌ、Ｍ４Ｒを結ぶ高度回転軸（Ｘ軸と呼ぶ。）の周りに望遠鏡が回転して傾く。さらに、図１及び図３に示すように、平面半月斜鏡Ｍ４Ｌ、Ｍ４Ｒと楕円第３非球面鏡Ｍ５Ｌ、Ｍ５Ｒを結ぶ軸（Ｙ軸と呼ぶ。）は、水平面上でＸ軸と直交している。

２枚の平面半月斜鏡Ｍ４ＬとＭ４Ｒは、図３に示すように、それぞれの直径部分がＺ軸方向（鉛直方向）に配置される。平面半月斜鏡Ｍ４ＬとＭ４Ｒの円周部分は、それぞれ、平面斜鏡Ｍ３からの光をＸ軸からＹ軸に９０度折り曲げるために、ＸＹ平面内でＸ軸から−４５度と＋４５度の位置に置く。これら平面半月斜鏡Ｍ４ＬとＭ４Ｒの配置は、丁度、円形の半分を鉛直方向（Ｚ軸）に沿って９０度折り曲げた形である。このような配置により、平面斜鏡Ｍ３からの全視野の光を左半分と右半分に分けることができる。２枚の平面半月斜鏡Ｍ４を水平面内に展開する場合は、上述したように、全視野を左半分と右半分に分けることになるが、垂直面内に展開する場合は、全視野を上半分と下半分に分けることになる。

また、２枚の平面半月斜鏡Ｍ６ＬとＭ６Ｒは、図３に示すように、それぞれの直径部分が、Ｚ軸方向（鉛直方向）に沿い、Ｙ軸に関して平面半月斜鏡Ｍ４ＬとＭ４Ｒに反対側に配置される。なお、平面半月斜鏡Ｍ４Ｌ、Ｍ４Ｒ、楕円第３非球面鏡Ｍ５Ｌ、Ｍ５Ｒ、及び平面半月斜鏡Ｍ６Ｌ、Ｍ６Ｒは、同一のＸＹ平面に配置される。

つぎに、この実施の形態１に係る望遠鏡の動作について図面を参照しながら説明する。

真上（天頂）にある無限遠の天体からの光は、図２に示すように、鉛直に降りてきて主鏡Ｍ１で反射し、副鏡Ｍ２で再度反射されて、斜鏡Ｍ３で、Ｘ軸に沿って、半月斜鏡Ｍ４Ｌ、Ｍ４Ｒの位置に導かれる。半月斜鏡Ｍ４Ｌ、Ｍ４Ｒの位置は、ナスミス焦点と呼ばれ、通常はここが最終焦点面となるが、主鏡Ｍ１と副鏡Ｍ２の２枚の非球面がつくるナスミス焦点では光学収差が残る。

本発明では、ナスミス焦点面ＦＰ１に半月斜鏡Ｍ４Ｌ、Ｍ４Ｒを置き、光路をそれぞれ水平面内でＸ軸と垂直なＹ軸方向に折り曲げ、その先に配置した３つめの非球面となる非球面鏡Ｍ５Ｌ、Ｍ５Ｒで、ナスミス焦点像をそれぞれ再結像する。半月斜鏡Ｍ４Ｌ、Ｍ４Ｒから非球面鏡Ｍ５Ｌ、Ｍ５Ｒをそれぞれ通って半月斜鏡Ｍ６Ｌ、Ｍ６Ｒでそれぞれ折り曲げるとき、半月斜鏡Ｍ４Ｌ、Ｍ４Ｒから非球面鏡Ｍ５Ｌ、Ｍ５Ｒへ行く光線が、非球面鏡Ｍ５Ｌ、Ｍ５Ｒから半月斜鏡Ｍ６Ｌ、Ｍ６Ｒへ戻る光線と重なると遮蔽ができてしまうため、半月斜鏡Ｍ６Ｌ、Ｍ６Ｒではそれぞれ視野の半分だけを使用する。

こうすることで、半月斜鏡Ｍ４Ｌ⇒非球面鏡Ｍ５Ｌ⇒半月斜鏡Ｍ６Ｌ⇒最終焦点面ＦＰ２Ｌへと光線がじゃまされずに到達できる。上記と同じような構成（半月斜鏡Ｍ４Ｒ⇒非球面鏡Ｍ５Ｒ⇒半月斜鏡Ｍ６Ｒ⇒最終焦点面ＦＰ２Ｒ）をＹ軸の逆側にも配置しているので、ナスミス焦点の全視野を両側で半分ずつ確保することができる。

直径３０ｍの主鏡Ｍ１で折り返した光を、望遠鏡先端の副鏡Ｍ２で折り戻し、主鏡Ｍ１の手前の斜鏡Ｍ３で望遠鏡筒の外側のナスミス焦点に導くところまでは従来の望遠鏡と同様の配置である。ナスミス焦点面ＦＰ１に配置した半月斜鏡Ｍ４で光路をさらに垂直方向（Ｙ軸方向）に折り曲げ、非球面鏡Ｍ５を用いて最終焦点面ＦＰ２に光を戻すが、最終焦点の手前で半月斜鏡Ｍ６により光を再度折り曲げることにより、死角が無く、光学収差が無い完全な光学系が実現できる。

通常の二面反射系では主鏡Ｍ１と副鏡Ｍ２に最適化された非球面を用いることにより、主鏡Ｍ１の下部にカセグレン焦点を設けるか、斜鏡Ｍ３で光路をＸ軸に沿って水平に折り曲げ、ナスミス焦点を半月斜鏡Ｍ４の位置に設ける。このナスミス焦点は、望遠鏡が天体を追尾して姿勢が変化する場合でもその姿勢が不変なため、観測装置を配置するのに適している。

本発明は、このナスミス焦点に半月斜鏡Ｍ４を置き、視野の半分ずつをＸ軸と直角をなす水平方向に取り出し、非球面鏡Ｍ５でナスミス焦点像を等倍率で再結像することにある。このような配置にすると、折り返された光路は鏡像の関係で反転するので、右半分の像が左半分の視野に戻ってくる。従って、全視野を右半分と左半分の２つの視野に分けて、それぞれに半月斜鏡Ｍ４から半月斜鏡Ｍ６までの鏡を配置することにより全視野を死角なくカバーすることができる。

この発明に係る望遠鏡は、全視野を２つの半円形視野に分割し、それぞれに３番目の非球面を配置することで、全面けられ無しの光学系の配置を可能にしたものである。

なお、この発明に係る望遠鏡は、地球探査衛星など広視野と高解像度を必要とし、視野にかげり（けられ）の無い光学系を必要とする望遠鏡やカメラにも応用することができる。

この発明の実施の形態１に係る望遠鏡の全体構成を示す図である。この発明の実施の形態１に係る望遠鏡を側面からみた部分構成を示す図である。この発明の実施の形態１に係る望遠鏡を上方からみた部分構成を示す図である。

符号の説明

ＤＬ、ＤＲ検出器、ＦＰ１ナスミス焦点面、ＦＰ２Ｌ、ＦＰ２Ｒ最終焦点面、Ｍ１楕円面主鏡、Ｍ２双曲面副鏡、Ｍ３平面斜鏡、Ｍ４Ｌ平面半月斜鏡、Ｍ４Ｒ平面半月斜鏡、Ｍ５Ｌ第３非球面鏡、Ｍ５Ｒ第３非球面鏡、Ｍ６Ｌ平面半月斜鏡、Ｍ６Ｒ平面半月斜鏡。

Claims

天頂にある無限遠の天体からの光を反射する楕円面主鏡と、
望遠鏡先端に配置され、前記光を再度反射する双曲面副鏡と、
前記楕円面主鏡及び前記双曲面副鏡の間に配置され、再度反射された前記光をナスミス焦点に導く平面斜鏡とを備え、
前記楕円面主鏡、前記双曲面副鏡、及び前記平面斜鏡が、望遠鏡の軸である鉛直方向のＺ軸に沿って配置され、前記ナスミス焦点がＺ軸に垂直なＸ軸上に位置した望遠鏡において、
前記ナスミス焦点に配置され、形状が半円であり、前記平面斜鏡によって導かれた光をＸＹ平面内に展開する場合は全視野の左半分だけ垂直なＹ軸方向に折り曲げる第１の左側平面半月斜鏡と、
前記第１の左側平面半月斜鏡によって折り曲げられた光を反射する左側楕円非球面鏡と、
前記左側楕円非球面鏡によって反射された光を左側最終焦点面へ導く形状が半円の第２の左側平面半月斜鏡と、
前記ナスミス焦点に配置され、形状が半円であり、前記平面斜鏡によって導かれた光をＸＹ平面内に展開する場合は全視野の右半分だけ、前記左側平面半月斜鏡とは反対の垂直なＹ軸方向に折り曲げる第１の右側平面半月斜鏡と、
前記第１の右側平面半月斜鏡によって折り曲げられた光を反射する右側楕円非球面鏡と、
前記右側楕円非球面鏡によって反射された光を右側最終焦点面へ導く形状が半円の第２の右側平面半月斜鏡とをさらに備え、
前記第１の左側平面半月斜鏡、及び前記第１の右側平面半月斜鏡をＸＹ平面内に展開する場合は、前記第１の左側平面半月斜鏡、前記左側楕円非球面鏡、及び前記第２の左側平面半月斜鏡、並びに前記第１の右側平面半月斜鏡、前記右側楕円非球面鏡、及び前記第２の右側平面半月斜鏡は、同一のＸＹ平面に配置され、
２枚の前記第１の左側平面半月斜鏡と前記第１の右側平面半月斜鏡は、それぞれの直径部分がＺ軸方向に配置され、それぞれの円周部分がＸＹ平面内でＸ軸から−４５度と＋４５度の位置に置かれ、
２枚の前記第２の左側平面半月斜鏡と前記第２の右側平面半月斜鏡は、それぞれの直径部分がＺ軸方向に配置され、Ｙ軸に関して前記第１の左側平面半月斜鏡及び前記第１の右側平面半月斜鏡の反対側に配置される
ことを特徴とする望遠鏡。