JPS63503097A - 実入射瞳を有する反射光学トリプレット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、電磁放射線用結像システムに関し、特に結像システムの前面に設け た実入射瞳を有する多構成反射素子を具備する結像システムに関する。

電磁放射、特に可視光線及び赤外線放射に関する放射スペクトルの結像システム が広く使われている。本発明は特に、テレスコープによって遠い物体を結像する ことに関する。

テレスコープの光学素子は一般に反射式か又は屈折式である。球面収差、コマ、 非点収差、像面湾曲を補正するのに必要な最小パラメータを提供するための前記 光学素子の最小数は一般に３であることが知られている。３つの光学素子を具備 するテレスコープ又は結像システムは一般にトリブレットとして知られている。

トリブレットに共通する構成として屈折光学素子を使用しており、概して２つの 正のレンズ間に挿入された負のレンズを具備する。屈折トリブレットは、収差を 補正するのに効果があるので多くの結像システムに応用されているが、その他の 応用に関しては問題がある。屈折トリブレットの大きな欠点の一つとして、大き な開口絞りを必要とする場合、その応用が容品でないことである。この欠点は費 用の点と大形のレンズ素子を正確に製造することが難しいことに由来する。その 上、大形レンズ素子は種々の方向に向けた時、曲がりやすいので像の品質が全体 的に低下してしまう。屈折結像システムの他の欠点は、レンズの材料が波長又は 所定範囲の波長に対して完全に透明でないことである。レンズ素子によって放射 が吸収されれば、その程度がどうであれ像の品質の低下につながる。

以上の欠点を克服すべく、ミラーなどの反射素子を使って放射を集束して観測す る従来の技術が知られている。反射光学素子は、屈折レンズ素子と比較して、大 形のものを構成するのがそんなに困難ではないので、多くの大きな開口絞りに応 用することが可能である。その上、反射素子は任意の厚さに製造できるので、曲 りを最小に抑えることができる。さらに、反射素子は屈折素子と比較して、軽量 の材料から出来ているので空中及び宇宙への応用に適している。さらに、反射光 学系は、屈折光学素子に附随する前述したような不透明の問題を避けることがで きる。

多くの従来の反射トリブレットは、遠い物体から結像システムに入る光が、先ず １次ミラーに当り、２次ミラーに反射し、さらに３次ミラーに反射して最終的に 遠い物体の像を形成する像平面に集束するように構成されている。

従来の反射トリプレットの大きな欠点は光学素子の配置にある。一般に、３つの ミラーが全て光学系の光軸上に配置されており、したがってそれらの視野もまた 光軸に沿っている。

この配置は、遠い物体から結像システムに入る光の有効部を遮る。従来のこのミ ラーの配置は結像システムの視野を制限しミラー間の屈折力分布に影響をおよぼ す。さらにこの設計では迷光が像平面に到達しないようにするパフリングの効果 を十分に提供できない。

これらの欠点を克服するために、反射トリブレットを使用することによって光学 システムを構成する従来の技術があるが、これは視野が偏心的である、すなわち 視野が結像システムの光軸上になく全体的に結像システムの一側部に存在する。

偏心的トリブレット光学システムの一例として米国特許第４，２４０．７０７号 （Ｗ、Ｗｅｔｈｅｒｅｌ　１及びり、Ｗｅｍｂ　ｌ　ｅ）があり、ここに参考文 献として取上げた。

このＷｅｔｈｅｒｅｌｌ特許は全反射で偏心的視野の非リレー構成の光学システ ムについて記載している。この光学システムは光軸上に開口絞りを持つ反射トリ ブレットを具備し、前記開口絞りは物理的に２次ミラーに設けられている。この 光学システムの入射瞳は虚像であり、前記光学システム後部の遠距離に存在する 。

入射瞳が虚像であることから、かなりのビームヮンダが前記光学システムの前面 で起こるという欠点が生じる。。このビームワンダは、小さな覗き窓を通して観 察する光学システムの場合は像の品質に悪影響を与える。

米国特許第４，２６５．５１０号は本発明の譲受人に譲渡されているがこれは全 反射で偏心的視野の光軸外リレー構成を有する光学システムについて記載してお り、１次ミラーの前面に入射瞳を持ち、開口絞りが３次ミラーと像平面間に設け られている。リレー構成の光学システムなので視野絞りが２次ミラーと３次ミラ ー間の中間像を形成する点に設けられている。この構成は、迷放射を除去するこ とが重要となる場合は特に有用である。前述した米国特許第４．２６５．５１０ 号に開示された実入射は前記ビームワンダを減少させ、さらにリレー構成なので 視野絞りと開口絞りとを光学システムに含めることができる利点がある。しかし ながら迷放射の除去が重要でない場合は次のような問題を生ずる。即ち光学素子 の寸法と光学素子間のスペースのため光学システムが大形になりやすい。また、 一対の像を形成する場合全体として大きな屈折力を必要とする。この場合、第１ の像は視野絞りに存在し第２の像は像感知点で再度結像する。

全体的に大きな屈折力を必要とするため、調整ミスによる像の品質の低下が大き い。視野の大きさも同様に限定される。

発明の摘要 光学システムの前面に、接近可能な実入射瞳を持つ反射式光軸外郭リレー構成の トリブレット光学システムによって前記の問題が克服され同時に他の利点が実現 される。

本発明の実施例によれば、光学システムは正の凹状１次ミラーと負の凸状２次ミ ラーと正の凹状３次ミラーとを具備する３枚のミラー素子を具備する。前記ミラ ーは、システムが開口角及び視野角内でかつ光軸外で使用するように構成される 。１次ミラー前面には結像用放射を光学システムに入射する入射瞳を設ける。

本発明による光学システムによれば、開口絞りと入射瞳は縮退していて開口絞り は入射瞳と一致する。それゆえ、定義によれば、全ての視野角に対して開口絞り が入射瞳と一致するので視野作用のようなビームワンダが起こらない。

結果的に、本発明の光学システムは、可変でかつ２次元の大きなアスペクトレシ オを有する視野の比較的高速度の光学システムに適している。

図面の簡単な説明 本発明の前述した諸相及び他の特徴を、添附図面を参照して説明する。

第１図は、従来の３枚構成のミラーから成る偏心的非リレー構成の光学システム を示す側面図である。

第２図は、第１図の線２−２についての平面図である。

第３図は、本発明の３枚構成のミラー光学システムの望ましい実施例の子午的平 面についての側面図である。

第４図は、第３図の線４−４に沿うサジタル平面についての平面図である。

本発明の詳細な説明 本発明の特徴及び利点を理解するために従来の技術について簡単に述べる。第１ 図及び第２図は３つの素子からなる全反射で偏心的非リレー構成の光学システム の従来技術を示しており、遠い物体を結像するのに使われる。図かられかるよう に、反射トリブレットによって形成される光学システムを参照番号１０で示す。

この光学系は光軸１２を有し、正の１次ミラー１４と負の２次ミラー１６と正の ３次ミラー１８とイメージセンサ２０とを具備する。開口絞り１７が光軸１２の 回りに対称的にかつ物理的に前記２次ミラーに設けられる。

図には示さないが全ての光学素子は通常の構成どおりそれぞれの位置に設けられ るものとする。動作時、遠い物体（図には示さず）から放射された光はビーム４ ２で示されるように前記光学システム１０の素子によって反射され前記イメージ センサ上で結像する。

この非リレー構成トリブレットの欠点は第２図を見れば明らかである。ビーム２ ２の延長点線が光学系１０の虚入射瞳を形成する集束点２６に交差する。虚入射 瞳は光軸１２の回りに対称的に形成され光学システム１０の後部に存在する。

前記虚入射瞳の存在によって、光学システム１０の前部に概して矢印２４で示さ れる大きなビームワンダを生ずる。この大きなビームワンダ２４は前記イメージ センサ２０に到達する像の品質に悪影響を与え、孔又は窓を介して物体を観察す る場合、実質的に光学システム１０の使用ができなくなる。

接近可能な実入射瞳を存する本発明の３枚素子の偏心的非リレー構成の光学シス テム３０が第３図及び第４図に開示されている。前記光学システム３０は光軸３ ２を有し光軸外にある正の凹状１次ミラー３４と光軸上にある負の凸状２次ミラ ー３６と先軸外にある正の凹状ミラー３８と像平面４０とを具備する。前記像平 面４０には概してイメージセンサ４１が設けられる。実入射瞳４４は光軸外に設 けられ遠距離（図には示さず）から放射される放射ビーム４２を入射する。前記 ビーム４２は先ず前記１次ミラー３４に当り次に前記２次ミラー３６及び前記３ 次ミラー３８に反射し、目標物である前記イメージセンサ４１に当たる。

本発明の前記実入射瞳４４は従来の光学システムと比べていくつかの利点を備え ている。

その一つは、光軸外にある前記入射瞳４４は前記光学システム３０の開口絞りに 一致することである。この開口絞りは光軸外にあるので、前述した従来の非リレ ー構成の光学システムのように前記開口絞りを光軸上の前記２次ミラー１６に設 ける必要がない。定義によれば、前記実入射瞳４４は虚入射瞳の存在を除外する 。すなわち、従来の光学システム１゜の大きなビームヮンダの欠点は克服される がこれは、前記光学システム３０の矢印４６によって概して示される視野端部の 放射線の位置を、第２図の矢印２４が示す従来の光学システムの視野端部の放射 線の位置と比較して見れば容易に分かる。本発明が示すようにこのビームヮンダ の大幅な減少によって光学システム３０の像の品質が改善される。

本発明の前記実入射瞳４４の他の利点は、前記入射瞳は小さくできるので視野窓 が必要な結像システムにも応用することが可能である。

実入射瞳４４と共に使用される視野窓（図には示さず）の一つとして真空窓があ る。概して前記真空窓は低温にて冷却されたデユワ−瓶状光学システムであり、 光学素子と、放射に感知するイメージセンサとを含むアッセンブリが排気されて 低温に維持される。このような低温冷却光学システムは概してスペクトルの赤外 領域の像放射に使用される。

視野窓を必要とする他の応用として、視野孔を介して放射を受けるように設計さ れた光学システムがあり、この光学システムは飛行機又は宇宙船に搭載して使用 すべく設計されている。

接近可能な実入射瞳が利点となる他の応用は、物空間走査ミラー又は指向ミラー を前記入射瞳に近接することによって前記物空間走査ミラー又は前記指向ミラー の寸法を開口絞りに対して小さくすることが可能である。

さらに、本発明の比較的小さな入射瞳４４が利点となる応用としては、焦点式テ レスコープなどのように光学系３０が他の光学系の射出瞳を介して遠い物体を観 察する場合である。

この応用においては前記光学システム３０は前記焦点式テレスコープの結像装置 としての機能を持つ。概して前記結像装置に要求されることは、前記結像装置の 入射瞳が前記テレスコープの比較的小さな射出瞳に一致することである。すなわ ち、本発明による小さなサイズの入射瞳４４によって前記光学系３０を小さな射 出瞳を有する焦点式テレスコープの結像装置として使用可能となる。

前述したような従来の前記光学システム１０のように虚入射瞳の回りに大きなビ ームワンダが存在する場合は、前記結像システムの上記した貴重な様々な応用例 が不可能になる。

容易に理解されるように、実行しようとする応用によって、本発明の光学システ ム３０は多くの異なる実施例を有する。

例えば、意図する応用が、光学システム３０を前述したような低温において真空 窓と共に用いる場合なら、真空窓の面積と形状とが射出瞳の相応する面積と形状 とを決定する。同様に、光学システムを航空機に搭載する場合は、視野窓の寸法 及び前記光学システム３０の物理的寸法及び重量など他の事柄が本発明の特定し た実施例に影響を及ぼす。それゆえ、光学的コンポーネントの配置、各コンポー ネントの寸法及び曲率、及び特定した実施例の他の重要な特徴の決定はＣＡＤ（ コンピュータ補助によるデザイン）技術、特に光学システムのデザイン用として 現在使用されている光線追跡によって容易に達成される。さらに、デジタルコン ピュータによる光学表面のデジタル的記述が、現在、光学素子の製造において使 用される自動研削盤の駆動に欠くことができないフォーマットを有する。

本発明の光学システム３０は、概してＦ／３．０からＦ／４．０の範囲の比較的 高速なシステムスピードに適している。前記光学システム３０は、２次元かつ大 きなアスペクトレシオ、通常、２０°×１°の視野に対して適している。

円錐形かつ一般非球面のミラー構成が、本発明によって可能となる様々な実施例 において使用される。また、本発明は、様々なレベルの像品質を達成する光学シ ステム３０を提供し、前記像品質は１０から１００マイクロラドの範囲にある。

前記光学システムの特定された処方が次の表によって与えられる。例えばコンピ ュータによって作成された特定の処方に応じて構成されたシステム３０の実施例 の光学的特性は子午的平面において１°の視野及びサジタル平面において２０° の視野を有する。入射瞳４０は尺度単位で１０単位の直径すなわち１０インチ又 は１０センチメートルの直径を有する。実効焦点距離は４０単位でありしたがっ てＦナンバがＦ／４．０となる。子午的平面における視野の中心に対する光軸外 角度は８°である。

さらに表に述べたデータの重要性を解釈する助けとして次に説明を述べる。

ＲＤで示された列は尺度単位すなわちインチ又はセンナメートルで表わされた特 定のミラー表面の半径である。マイナスの印は曲率の中心がミラー表面の左側に あることを示す。

次のＣＣで示された列は円錐定数であり円錐曲線（２葉の円錐面による平らな切 口）の離心率を２乗してマイナスを付けたものに等しい。１次ミラー３４の表面 の形状は双曲面である。２次ミラー３６の形状は楕円体である。３次ミラー３８ の形状は偏球であり、光学システムの光軸に直角なｘｙ平面について測定した半 径のうち第４番目の半径の屈折力について測定した非球面収差係数を有する。こ の非球面収差係数は第４番目の半径の屈折力に関連する。

座標系において、光軸３２を１次ミラー３４の中心を通るＺ軸とする。ｙ軸は子 午的平面にありｙ軸はサジタル平面にある。第３図は、子午的平面について光学 システムを見た場合であり、Ｚ軸が右方向を指し、ｙ軸が上方を指し、さらにｙ 軸がこの紙面を指す。第４図はサジタル平面について光学システム３０を見た場 合であり、Ｚ軸は右方向を指し、ｙ軸は上方向を指し、さらにｙ軸はこのページ の紙面から出る方向を指す。この表の次の列におけるＺはＺ軸に沿って計った各 ミラー表面あ頂点までの距離である。マイナスの印は距離が１次ミラー３４の頂 点の左側にすることを示す。次の列は傾斜を表わす。前記ミラー表面のそれぞれ は回転面として形成され、これは円錐部を軸の回りに回転すればよい。この軸は Ｚ軸に平行であるか又はｙｚ平面について傾斜される（ｘｚ平面ではない）。傾 斜度の正の番号はｘｙｚ座標系に関して反時計回りの方向における傾斜を表わす 。

円錐部の軸の回りの回転に関して、楕円の場合は、回転は楕円の長軸の回りに起 こる。１次ミラー３４及び２次ミラー３６の場合、回転は長軸の回りに起り、こ れは円錐定数のマイナスの印によって示される。しかしながら、３次ミラー３８ が偏球の場合は、表面は短軸の回りに楕円を回転させることによって形成される 。複素数を使えば偏心率を数学的に記述することができ、この場合偏心率は純虚 薮である。それゆえ、偏心率を２乗するとマイナスの印が付加されて表に示され たように３次ミラーに対する円錐定数は正となる。

表の最後の列はＹＤで示され偏心距離を意味する。偏心はｙ軸に沿った尺度単位 で測定され表面の頂点の座標系の原点からの変位を表わす。

偏心調整、すなわち各ミラー又は他の光学素子の頂点の位置合せは傾斜角の決定 に先だって行われる。

システム３０の特定された実施例の処方５種類　ＲＤ　ＣＣＺ　ＴＩＬＴ　ＹＤ （尺度単位）　（尺度単位）　（度）　（尺度単位）４４入射瞳　閃　−−２２ ，７７８−−９，０３４１次ミラー　−７７，２３７−２，０２３０−−３６２ 次Ｅラ−−２８，８８２−０，４９２４−２０，０−−３８３次ミラー　−３８ ，９８７０，１９０６１０１，１５８０，９８７４４０像平面　閃　−−２７， ４８８１，０１４−前述した実施態様は単なる例であり、その変更態様が当業者 にとって可能である。したがって、本発明はここに開示された実施例に限定され なく、添附の請求の範囲によってのみ限定される。

国際調査報告 −１−一崗「＾−両−−軸・　ＰＣＴ／υｓ　８７１００５５６ＡＮＮＥＸ　Ｔ ｏ　ＴＨＥ　ＪＮＴＥＲＮＡＴ工０ＮＡＬ　ＳＥＡ、ＲＣＨＲＥＰＯＲＴ　ＯＮ Ｅ’Ｒ−Ａ−１３９３５７７Ｎｏｎｅ ｔｊｓ−Ａ−４６３２５２１，３０／１２／８６　Ｎｏｎｅ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．遠距離にある物体を結像する少なくとも３枚のミラーを規定する手段を有し 、さらに光軸及び開口絞りを有する全反射で非リレー構成の光学システムであり 、前記物体から放射線を受ける１次ミラーを規定する手段と、前記１次ミラー手 段から反射した放射線を受ける２次ミラーを規定する手段と、 前記２次ミラー手段から反射した放射線を受ける３次ミラーを規定する手段と、 前記遠距離にある物体の像を形成すべく前記３次ミラー手段から反射した放射線 を受ける像平面を規定する手段と、前記１次ミラー手段の前面に設けられた入射 瞳を規定すると共に前記放射線の入射が前記１次ミラー手段に当たるのを可能に する手段とを具備し、 前記入射瞳手段が前記光学システムの開口絞りに一致する全反射で非リレー構成 の光学システム。
2. ２．前記１次ミラー手段が前記光軸の回りに実質的に対称的に設けられ、前記１ 次ミラー手段と、前記３次ミラー手段と、前記像平面手段と、前記入射瞳手段と が実質的に前記光軸外に設けられた請求の範囲第１項に記載の光学システム。
3. ３．前記１次ミラー手段が正の凹状曲率を持つように規定され、前記２次ミラー 手段が負の凸状曲率を持つように規定され、前記３次ミラー手段が正の凹状曲率 を持つように規定された請求の範囲第２項に記載の光学システム。
4. ４．前記像平面手段に沿って設けられたイメージセンサを規定する手段をさらに 具備して前記イメージセンサ手段が前記像を検知するようにした請求の範囲第３ 項に記載の光学システム。
5. ５．遠距離にある物体を結像する少なくとも３枚のミラーを規定する手段を有し 、かつ光軸を有する全反射で非リレー構成の光学システムであり、 前記物体から放射線を受けるべく凹状１次ミラーを前記軸外に規定する手段と、 前記１次ミラー手段から反射した放射線を受けるべく凸状２次ミラーを前記軸上 に規定する手段と、前記２次ミラー手段からの放射線を受けるべく凹状３次ミラ ーを前記軸外に規定する手段と、 像平面に沿って設けられたイメージセンサを前記軸外に規定すると共に前記３次 ミラー手段から反射する放射線を受け、前記３次ミラー手段から反射する前記放 射線が前記遠距離にある物体の像である手段と、 前記１次ミラー手段の前面に設けられた入射瞳を軸外に規定すると共に前記物体 からの放射線を入射する閉口を規定する手段を有する手段と、 前記入射瞳手段に一致する開口絞りを規定する手段とを具備する全反射で非リレ ー構成の光学システム。
6. ６．前記開口手段がシステムを航空機内の覗き窓に光学的に結合可能にする寸法 を有する請求の範囲第５項に記載の光学システム。
7. ７．前記開口手段がシステムを低温冷却されたデュワー瓶状エンクロージャの真 空窓に光学的に結合可能にする寸法を有する請求の範囲第５項に記載の光学シス テム。
8. ８．前記開口手段がシステムを焦点式テレスコープの射出瞳に光学的に結合可能 にする寸法を有する請求の範囲第５項に記載の光学システム。