JPH1123973A

JPH1123973A - マルチスペクトル分光反射光学系

Info

Publication number: JPH1123973A
Application number: JP9179436A
Authority: JP
Inventors: Osamu Shindo; 修進藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1997-07-04
Filing date: 1997-07-04
Publication date: 1999-01-29
Anticipated expiration: 2017-07-04
Also published as: JP3752787B2

Abstract

(57)【要約】【課題】実用的な画像視野を有するコンパクトかつ高
空間分解能な反射望遠鏡であって、分光プリズムからな
る分光光学部を備えたマルチスペクトル分光反射光学系
を提供すること。【解決手段】ＮＡＳＡの３枚鏡において、第三位反射
鏡の入射と出射の各光路中の光軸上に、第三位反射鏡に
関し略折り返し対称に、等厚かつ等硝材の平行平面板
と、分光プリズムからなる分光光学部とをそれぞれ配置
し、第三位反射鏡の入射と出射の共通光路中にメニスカ
スレンズを配置した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、一次元の電子走
査と、それに直交した方向への衛星移動を併用して二次
元画像を取得するプッシュブルーム走査方式による地球
等の観測衛星に搭載され、地表面の二次元画像を、複数
の観測波長域で取得するために利用される高空間分解能
のマルチスペクトル分光反射光学系に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】欧米等では、地上分解能が数十ｃｍとい
う高空間分解能の光学センサーが開発され、偵察衛星と
して運用されている。しかしこれらの多くは観測波長域
が広帯域の、いわゆるパンクロマチックバンドであった
ため、地上の分光反射特性を観測することはできなかっ
た。地上の分光反射特性を観測するためには分光光学部
を内蔵させなければならないが、分光光学部を内蔵しつ
つ、実用的な画像視野が確保でき、高空間分解能かつコ
ンパクトな反射望遠鏡の設計は容易にはなしえなかっ
た。実用的な画像視野が確保でき、高空間分解能を達成
できる反射望遠鏡の代表的な従来例としては図６に示さ
れる軸外し３枚鏡、図７に示されるシュミット反射屈折
望遠鏡、さらに図８に示す、ＵＳＰ４，１０１，１９５
“ＡＮＡＳＴＩＧＭＡＴＩＣＴＨＲＥＥ−ＭＩＲＲＯ
ＲＴＥＬＥＳＣＯＰＥ”で開示されたＮＡＳＡの３枚
鏡が挙げられる。

【０００３】図６に示された従来例を説明する。図にお
いて、１は第一位反射鏡、２は第二位反射鏡、３は第三
位反射鏡、４は一次元ＣＣＤ、５は平行光束、６は光軸
である。第一位反射鏡１から入射した平行光束５は、第
二位反射鏡２、第三位反射鏡３と順次反射され一次元Ｃ
ＣＤ４で像を結ぶ。そして一次元ＣＣＤ４は素子並びが
紙面に垂直になるように設置されている。この軸外し３
枚鏡では、およそ１０゜から２０゜の視野角が得られる
が、全長は、狭い視野で焦点距離の２／３、広い視野で
は焦点距離と同程度の長さとなっていた。例えば画素サ
イズ１０μｍの検出器を用いて軌道高度７００ｋｍで２
ｍの空間分解能を達成する場合には、焦点距離ｆは、画
素サイズをｐ、軌道高度をＨ、地上分解能をｄとすると
“数１”を用いて求められ、３．５ｍとなる。

【０００４】

【数１】

【０００５】これより全長は最大で３．５ｍとなってい
た。さらに軸外しであるため、非対称な画面上の像の幾
何学的歪みも発生していた。

【０００６】また図７の従来例において、４は一次元Ｃ
ＣＤ、５は平行光束、６は光軸、７はシュミット補正
板、８は平面反射鏡、９は主鏡、１０は補正レンズ、１
１は開口であり、シュミット補正板７から入射した平行
光束５は、順次、平面反射鏡８、主鏡９で反射され、平
面反射鏡８の中央に穿たれた開口１１を通って、補正レ
ンズ１０に入り、一次元ＣＣＤ４で像を結ぶ。一次元Ｃ
ＣＤ４は、素子並びが紙面に垂直になるよう設置されて
いる。このシュミット反射屈折望遠鏡では、約５゜の視
野角が得られている。しかし全長は焦点距離程度の長さ
となるため、軸外し３枚鏡と同じように大型化してい
た。さらにシュミット補正板７のように屈折部材がある
ため重量が大きくなる問題があった。

【０００７】さらに図８に従来例において、１は第一位
反射鏡、２は第二位反射鏡、３は第三位反射鏡、４は一
次元ＣＣＤ、５は平行光束、６は光軸、１１は開口、１
２は中間結像点、１３は折り曲げミラーであり、第一位
反射鏡１から入射した平行光束５は、順次、第二位反射
鏡２、第三位反射鏡３で反射され一次元ＣＣＤ４で像を
結ぶ。図中の、折り曲げミラー１３はあってもなくても
この発明の目的に影響はない。一次元ＣＣＤ４は、素子
並びが紙面に垂直になるよう設置されている。軸外し３
枚鏡と異なる点は、第二位反射鏡２の後の中間結像点１
２で一度中間結像し、それを第三位反射鏡３で再結像し
ている点である。このため光軸に対し平行に入射した平
行光束５では、中間結像点１２と再結像点が重なってし
まい、実際上、一次元ＣＣＤ４が配置できなくなるた
め、入射光には僅かに傾いた斜入射光束が用いられる。
このＮＡＳＡの３枚鏡では、約２゜の視野角が得られて
いる。一方、全長は焦点距離の半分程度の長さとなるた
めコンパクト化が可能である。

【０００８】さてこられの望遠鏡の一次元ＣＣＤの近傍
に分光光学部を配置するものとする。分光光学部は複数
の波長帯域に分光するために光路分割するもので、通
常、ダイクロイックミラーで分光するタイプと、分光プ
リズムで分光するタイプがある。

【０００９】図９はダイクロイックミラーで分光する従
来構成例であり、１４ａ，１４ｂ，１４ｃはそれぞれブ
ルー，グリーン，レッドの所定の帯域に制限するための
バンドパスフィルタであり、１５ａ，１５ｂはダイクロ
イックミラーである。また図１０は分光プリズムで分光
する従来構成例であり、１６ａ，１６ｂ，１６ｃは分光
プリズムである。こうした平行平面板を集束光の中に設
置すると、球面収差，非点収差，像面湾曲，色収差等が
変化し、ＭＴＦ（ＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＴｒａｎｓｆ
ｅｒＦｕｎｃｔｉｏｎ）が低下する。このため高空間
分解能の反射望遠鏡の場合には、これらの収差を補正す
るために、光路中に補正レンズが入れられる。しかしダ
イクロイックミラーで分光する場合は、集束光の中に傾
けて置かれるため、そのダイクロイックミラーを透過す
る光束は、光軸上に結ぶ光束でも非点収差が入り、ダイ
クロイックミラーが厚いと補正レンズによる補正も困難
となる。一方、分光プリズムを用いた場合は、その入出
射面は傾けられることがないため、非点収差の影響は少
ない。それゆえ高空間分解能の反射望遠鏡には、ダイク
ロイックミラーを用いる場合に比べ重くはなるが分光プ
リズムを用いる方が有利である。

【００１０】図１１は分光プリズムで分光したシュミッ
ト反射屈折望遠鏡の従来構成例である。１７は、図１０
の従来構成例で構成された分光光学部で、この場合は、
補正レンズ１０で像面湾曲を補正すると同時に、分光光
学部１７から発生する色収差を補正している。それゆ
え、分光プリズムによる分光でも高い空間分解能が得ら
れていた。しかし３枚鏡のように反射光学部材のみから
なる望遠鏡では、分光プリズムタイプを用いると補正レ
ンズを用いたとしても収差の補正は容易ではなく、これ
までは高空間分解能を犠牲にして、ダイクロイックミラ
ーによる分光を行っていた。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来技術
の高空間分解能の３枚鏡では、マルチスペクトル分光を
行うためには、ある程度の空間分解能を犠牲にするばか
りでなく、大型化していた。このため高空間分解能のマ
ルチスペクトル分光には、主に、シュミット反射屈折望
遠鏡が採用されていたが、シュミット反射屈折望遠鏡の
高空間分解能化によって大型化し、かつ重量が増大する
という問題があった。

【００１２】この発明は、このような従来の問題点に鑑
みてなされたもので、実用的な画像視野を有するコンパ
クトかつ高空間分解能の反射望遠鏡であって、分光プリ
ズムからなる分光光学部を備えたマルチスペクトル分光
反射光学系を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、ほぼ無限
遠から入射する斜入射光束を、中央部に開口を有する凹
面の第一位反射鏡と、その前方に配置された凸面の第二
位反射鏡により、第一位反射鏡の中央開口を通過させる
とともに、その開口近傍で中間結像させ、さらに凹面の
第三位反射鏡により、略等倍で再結像させるＮＡＳＡの
３枚鏡と呼ばれる反射光学系において、第三位反射鏡の
入射と出射の各光路中の光軸上に、第三位反射鏡に関し
略折り返し対称に、平行平面板と、分光プリズムからな
る分光光学部とをそれぞれ配置し、第三位反射鏡の入射
と出射の共通光路中にメニスカスレンズを配置したもの
である。

【００１４】また第２の発明はメニスカスレンズを平行
平面板、分光光学部と同一の硝材で構成したものであ
る。

【００１５】また第３の発明はメニスカスレンズを負の
レンズで構成したものである。

【００１６】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１を示す構
成図である。この実施の形態１は図８のＮＡＳＡの３枚
鏡を基本構成としており、１は第一位反射鏡、２は第二
位反射鏡、３は第三位反射鏡、４は一次元ＣＣＤ、６は
光軸、１１は開口、１２は中間結像点、１７は分光光学
部、１８は平行平面板、１９はメニスカスレンズであ
る。図において説明の煩雑さを避けるため、分光光学部
１７は１チャンネル分のみを記載し、分光プリズムとバ
ンドパスフィルタを一体にしたトンネルダイアグラムで
示している。図の左方から第二位反射鏡２の周囲空間を
通って入射した光束は第一位反射鏡１で反射され、第二
位反射鏡２に向かい反射され、この反射光束が第一位反
射鏡１の中央に穿たれた開口１１を通り、その開口１１
の近傍の中間結像点１２で空中像として結像する。空中
像を結んだ光束はさらに進行し、平行平面板１８、メニ
スカスレンズ１９と順次透過し、第三位反射鏡３で反射
される。そして、その反射光は再びメニスカスレンズ１
９を透過した後、平行平面板１８に形成された折り曲げ
ミラー１３で折り曲げられて分光光学部１７に入射す
る。最後に、分光光学部１７を射出した光束は一次元Ｃ
ＣＤ４の上に再結像する。この実施の形態１では、分光
光学部１７で発生する様々な収差を平行平面板１８と、
メニスカスレンズ１９で補正している。なおメニスカス
レンズとは、朝倉書店発行の“光学技術ハンドブッ
ク”、昭和５６年第６刷版のｐ７８８からｐ７８９に示
されるているように、断面形状が三日月型をしているレ
ンズである。

【００１７】図２を用いて、この実施の形態１の収差補
正の原理を説明する。６は光軸、２０は等倍レンズ、２
１ａ，２１ｂは光学部品、２２は対称軸である。この対
称軸２２に対して物体側と像側に対称に光学部品２１
ａ，２１ｂを配置すると、光学部品２１ａ，２１ｂから
発生するザイデルの五収差及び縦横の色収差のうち、コ
マ収差、歪曲収差、及び横の色収差は互いに打ち消し合
い、球面収差、非点収差、像面湾曲及び縦の色収差は倍
になることが知られている。通常はこれらの７つの収差
を全て補正するようにレンズの形状が決定される。この
ため補正のためのレンズ枚数等のパラメータは最低７つ
は必要となる。しかし例え残りの４つの収差が倍になっ
たとしても、あらかじめ３つの収差が自動的に補正され
ていれば、そのパラメータは最低４つですむため、少な
い部品で収差補正が可能となるという特徴がある。

【００１８】図３は等倍レンズ２０の代わりに等倍反射
鏡２３で置き換えたものである。この場合は、対称軸は
鏡面に接した折り返し線２４となり、光学部品２１ａ，
２１ｂは折り返し重なるように配置されている。なお図
３は判り易くするために、光学部品２１ａ，２１ｂを光
軸６に対して対称に描いている。その配置から通常の対
称とは異なるように見えるが、曲率のある等倍反射鏡は
等倍レンズと同じ機能を示すことから、結像関係上は、
図２と図３は全く等価である。従って、この折り返し線
２４は、光学部品２１ａと光学部品２１ｂの図２の対称
軸と同一と見なすことができる。それゆえ、この発明で
はこの対称性を折り返し対称と呼ぶことにする。図６に
示される軸外し３枚鏡と図７に示されるシュミット反射
屈折望遠鏡の構成中には等倍で結像する働きをする反射
鏡部品はないが、図８に示すＮＡＳＡの３枚鏡では第三
位反射鏡３が略等倍反射鏡となっている。それゆえ、こ
の部位に図３に示す主法を適用することが可能である。

【００１９】まず分光光学部１７を一次元のＣＣＤ４の
直前に配置することを前提とする。そして分光光学部１
７と同じ厚さで、同じ硝材（例えば石英）の平行平面板
１８を第三位反射鏡３に対し折り返し対称の位置、つま
り中間結像点１２の直後に配置する。この配置で分光光
学部１７から発生したコマ収差、歪曲収差、及び横の色
収差は自動的に補正される。正確にいえば、曲率のある
面を持つ光学部品の場合は、折り返し対称に配置する必
要があるが、平行平面板１８のように曲率のある面を持
たない光学部品の場合は、厳密に折り返し対称としなく
てもこの自動補正はなされる。つぎにその他の収差、つ
まり球面収差、非点収差、像面湾曲、そして縦の色収差
を補正するために、やはり第三位反射鏡３に対し折り返
し対称となるようにメニスカスレンズ１９を配置するこ
とを考える。このメニスカスレンズ１９は第三位反射鏡
３に入射する光束と出射する光束に共通に使用できるよ
う配置することが可能である。このメニスカスレンズ１
９を、中間結像点１２及び一次元ＣＣＤ４の近傍に曲率
中心を有するメニスカス形状とすることで非点収差の補
正を行い、さらにこれを負レンズとすることにより、平
行平面板および分光光学部から発生する縦の色収差を補
正している。球面収差については、ＮＡＳＡの３枚鏡自
体が持つ球面収差を平行平面板、分光光学部及びメニス
カスレンズの全てが減少させる方向に働いている。そし
てメニスカスレンズの焦点距離を非常に長くすること
が、３枚鏡のみで構成される基本構成のペッツバール和
に変化を与えないようにして、画像湾曲も抑えている。

【００２０】表１は、図１の実施の形態１の最適化設計
例である。第三位反射鏡３に対する折り返し対称性が成
立していれば、コマ収差、歪曲収差及び横の色収差の自
動補正はなされる。それゆえ、メニスカスレンズ１９の
硝材は、必ずしも平行平面板１８及び分光光学部１７と
同じである必要はないが、この実施の形態１では同一硝
材とした例を挙げている。慣習として、面間隔の符号は
ミラーによる反射の度毎に反転し、曲率半径の符号は面
間隔が正のとき、光の入射側に凸の場合に正の値、凹の
場合に負の値を持ち、面間隔が負のときは、光の入射側
に凹の場合に正の値、凸の場合に負の値を持つものとす
る。図４（ａ）には、従来例の図８の最適化設計例のＭ
ＴＦ特性、図４（ｂ）には表１の最適化設計例のＭＴＦ
特性を示している。それぞれの設計条件は、第一位反射
鏡の口径を６００ｍｍ、焦点距離を２１００ｍｍ、評価
に用いた空間周波数を５０ｌｐ／ｍｍとした。またＭＴ
Ｆは、波長域が４６０ｎｍから８３０ｎｍまでのポリク
ロマチックＭＴＦを計算した。従来例の性能とこの発明
の実施の形態１の性能とではほとんど差がなく、十分な
補正がなされていることがわかる。さらに図５は、表１
の最適化設計例による縦の色収差を示しているが、全波
長域で２０μｍ以下であり、色収差はほとんど無視しう
る量であることが分かる。この実施の形態１におけるメ
ニスカスレンズの焦点距離は、−９１７１．５５ｍｍ
で、非常に長い負の焦点距離となっている。

【００２１】

【表１】

【００２２】全ての収差を補正するためには、焦点距離
の長い負のメニスカスレンズでなければならないこと
は、実施の形態１で示された。しかし、分光光学部で分
光された後の各チャンネルの波長帯域が互いに重なり合
わない帯域となり、しかも検出器も独立して配置される
場合がある。この場合は縦の色収差は個々のチャンネル
に対しそれぞれ異なった焦点位置として現れることにな
り、各チャンネルの検出器の位置を個別に調整すること
で吸収できる。従って、この場合には、メニスカスレン
ズを負のレンズにする必要はない。また視野角を限定す
れば、像面湾曲が多少出ていても問題にはならない。こ
のことから視野角が狭い場合には焦点距離は必ずしも長
い必要はない。ただし如何なる場合においても、実用に
耐えうる収差とするための必要不可欠な条件はメニスカ
スレンズを用いることである。

【００２３】

【発明の効果】この発明によれば、ほぼ無限遠から入射
する射入射光束を、中央部に開口１１を有する凹面の第
一位反射鏡１と、その前方に配置された凸面の第二位反
射鏡２により第一位反射鏡の開口１１を通過させるとと
もに、その開口１１の近傍の中間結像点１２で中間結像
させ、さらに凹面の第三位反射鏡３により、略等倍で再
結像させる反射鏡光学系において、第三位反射鏡３の入
射と出射の各光路中の光軸６上に、第三位反射鏡３に関
し略折り返し対称に、平行平面板１８と分光光学部１７
をそれぞれ配置し、第三位反射鏡３の入射と出射の共通
光路中にメニスカスレンズ１９を配置することによっ
て、実用的な画像視野を有し、コンパクトかつ高空間分
解能な反射望遠鏡であって、分光プリズムからなる分光
光学部を備えたマルチスペクトル分光反射光学系を構成
することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明によるマルチスペクトル分光反射光
学系の実施の形態１を示す図である。

【図２】この発明の実施の形態１の等倍レンズを例と
した収差補正の原理を示す図である。

【図３】この発明の実施の形態１の等倍反射鏡を例と
した収差補正の原理を示す図である。

【図４】（ａ）は従来例の図８の最適化設計例のＭＴ
Ｆ特性を示す図であり、（ｂ）はこの発明の実施の形態
１の最適化設計例のＦＴＦ特性を示す図である。

【図５】この発明の実施の形態１の最適化設計例の縦
の色収差を示す図である。

【図６】従来の軸外し３枚鏡の構造を説明する図であ
る。

【図７】従来のシュミット反射屈折望遠鏡の構造を説
明する図である。

【図８】従来のＮＡＳＡの３枚鏡の構造を説明する図
である。

【図９】従来のダイクロイックミラーで分光する分光
光学部構成例を示す図である。

【図１０】従来の分光プリズムで分光する分光光学部
構成例を示す図である。

【図１１】従来の分光プリズムからなる分光光学部を
有するシュミット反射屈折望遠鏡の構成を示す図であ
る。

【符号の説明】

１第一位反射鏡、２第二位反射鏡、３第三位反射
鏡、４一次元ＣＣＤ、５平行光束、６光軸、７
シュミット補正板、８平面反射鏡、９主鏡、１０
補正レンズ、１１開口、１２中間結像点、１３折
り曲げミラー、１４ａ，１４ｂ，１４ｃバンドパスフ
ィルタ、１５ａ，１５ｂダイクロイックミラー、１６
ａ，１６ｂ，１６ｃ分光プリズム、１７分光光学
部、１８平行平面板、１９メニスカスレンズ、２０
等倍レンズ、２１ａ，２１ｂ光学部品、２２対称
軸、２３等倍反射鏡、２４折り返し軸。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光束を反射する、中央部に開口を有する
凹面の第一位反射鏡と、前記第一位反射鏡の前方に配置
され、前記第一位反射鏡により反射された光束を反射し
て、第一位反射鏡の中央開口を通過させるとともに前記
開口近傍で中間結像させる凸面の第二位反射鏡と、前記
第二位反射鏡で結像された光束を略等倍で再結像させる
凹面の第三位反射鏡とを有する反射光学系において、前
記第三位反射鏡の入射と出射の各光路中の光軸上に、前
記第三位反射鏡に関して略折り返し対称に、平行平面板
と、分光プリズムからなる分光光学部とをそれぞれ配置
し、前記第三位反射鏡の入射と出射の共通光路中にメニ
スカスレンズを配置したことを特徴とするマルチスペク
トル分光反射光学系。
【請求項２】上記メニスカスレンズを、上記平行平面
板及び分光光学部と同一の硝材で構成したことを特徴と
する請求項１記載のマルチスペクトル分光反射光学系。
【請求項３】上記メニスカスレンズを、負のレンズと
したことを特徴とする請求項１又は２記載のマルチスペ
クトル分光反射光学系。