WO2001092956A1

WO2001092956A1 - Detecteur d'image

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Publication number: WO2001092956A1
Application number: PCT/JP2000/003471
Authority: WO
Inventors: Yasuhisa Tamagawa; Takayuki Nakano; Shigeru Makino; Shuji Urasaki
Original assignee: Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha
Priority date: 2000-05-30
Filing date: 2000-05-30
Publication date: 2001-12-06
Also published as: US6985268B1; EP1286208A4; EP1286208A1

Description

明細書

技術分野，

この発明は、撮像対象である被写体の光学像を得るための撮像装置に関するものであり、詳細には、紫外線領域から赤外線領域にわたる広い波長範囲において、被写体の撮像が可能な撮像装置に関するものである。背景技術

たとえば、光の屈折作用を利用したレンズは、透過性の光学材料を用いるため、使用可能な波長範囲が光学材料の分光特性に制約される。また、このレンズにおいては、光が透過できる波長範囲でしか使用できないことに加え、さらに、透過できる波長範囲においても、屈折率の波長特性に起因する分散により色収差が発生する。

これに対して、光の反射作用を利用した反射鏡においては、上記のような色収差が発生せずに、広い波長範囲において用いることが可能である。そして、アルミニゥム，銀，金などの金属で形成される反射面は、紫外線領域から赤外線領域にわたる広い波長範囲で高い反射率を有する。

ただし、 1枚の反射鏡を用いた場合、特定の点（たとえば、光軸と像面とが交わる点）の近傍の非常に狭い範囲においては収差を小さくできるが、たとえば、その点から離れた場合には、収差（たとえば、コマ収差，非点収差などの非対称な収差）が大きくなる。したがって、特定の一方向から入射する光を集光することは可能であるが、大きさをもった撮像対象から入射する光、すなわち、ある程度の角度範囲の入射光を結像することはできない。

そのため、撮像対象の光学像を得るためには、少なくとも 2つの反射鏡が必要となる。なお、反射鏡の数が増えると、製造誤差や組立誤差が大きく影響するため、実現が困難になるため、撮像装置に用いる反射鏡は、必要最低限の 2つが最も好ましいといえる。このように、反射鏡の数を増やすことにより設計自由度が増え、より広い角度範囲において結像性能を向上させることができる。

2つの反射鏡をもつ従来の撮像装置としては、たとえば、山下泰正著「反射望遠鏡」東京大学出版会 ( 1 9 9 2 ) 1 1 5頁に記載のように、カセグレン式，リツチ— ·クレチャン式，ダレゴリ一式の装置がある。第 7図は、上記カセグレン式およびリツチ一 ·クレチャン式の撮像装置の構成を示す図である。

たとえば、第 7図がカセグレン式の撮像装置である場合、 1 0 1は回転放物面形状をした第 1反射鏡であり（ここでは開口となっている）、 1 0 2は回転双曲面形状をした第 2反射鏡であり（回転軸は第 1反射鏡 1 0 1と同一である）、 1

0 3は第 1反射鏡 1 0 1と第 2反射鏡 1 0 2で形成される被写体像の近傍に置かれた光検出器である。

カセグレン式の撮像装置において、第 1反射鏡 1 0 1および第 2反射鏡 1 0 2 は、回転対称な構造であるので、回転旋盤により製造することができる。そして、第 1反射鏡 1 0 1および第 2反射鏡 1 0 2の形状と配置は、球面収差が除去できる条件のもとで、その他の収差がバランス良く低減できるように決定される。光検出器 1 0 3は、たとえば、フィルムや光強度分布を電気信号に変換する C C

Dなどのことである。

一方、第 7図がリツチ一 ·クレチヤン式の撮像装置で ¾る場合、 1 0 1は回転双曲面形状をした第 1反射鏡であり、 1 0 2は回転双曲面形状をした第 2反射鏡であり、 1 0 3は第 1反射鏡 1 0 1と第 2反射鏡 1 0 2で形成される被写体像の近傍に置かれた光検出器である。

リッチ一 ·クレチャン式の撮像装置は、カセグレン式の撮像装置と同様に、第

2反射鏡 1 0 2の回転軸が、第 1反射鏡 1 0 1と同一である。第 1反射鏡 1 0 1 および第 2反射鏡 1 0 2の形状と配置は、収差の球面収差およびコマ収差が除去できる条件のもとで、その他の収差がバランス良く低減できるように決定されるまた、第 8図は、ダレゴリ一式の撮像装置の構成を示す図である。第 8図において、 1 1 1は回転放物面形状をした第 1反射鏡であり（ここでは開口となってレ ^る）、 1 1 2は回転楕円面形状をした第 2反射鏡であり（回転軸は第 1反射鏡 1 1 1と同一である）、 1 1 3は第 1反射鏡 1 1 1と第 2反射鏡 1 1 2で形成される被写体像の近傍に置かれた光検出器である。

グレゴリー式の撮像装置において、被写体から入射する光は、第 1反射鏡 1 1 1で反射した後に一度像を結んでから、第 2反射鏡 1 1 2により再び結像される。第 1反射鏡 1 1 1および第 2反射鏡 1 1 2の形状と配置は、カセグレン式の撮像装置と同様に、球面収差が除去できる条件のもとで、その他の収差がバランス良く低減できるように決定される。

しかしながら、前述した文献に記載された 2つの反射鏡をもつ従来の撮像装置は、いずれも望遠鏡に使用される撮像装置であることからわかるように、非常に狭い視野内でしか収差を低減できず、撮像する被写体の角度範囲が非常に小さい、という問題があった。すなわち、大きな視野で撮像しょうとした場合、像の周辺がぼけてしまい、良好な画像が得られない、という問題があった。

また、上記 2つの反射鏡をもつ従来の撮像装置では、被写体からの光が、第 1 反射鏡に入射する前に第 2反射鏡によって遮光されることで、いわゆるケラレが生じ、これにより光量が損なわれ、さらに回折により像がぼける、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、大きな視野で撮像した場合においても良好な画像を取得でき、かつケラレを生じることのない、 2つの反射鏡をもつ撮像装置、を提供することを目的としている。発明の開示

本発明にかかる撮像装置にあっては、回転放物面の一部を切り出した形状で、唯一の焦点を有する第 1の反射鏡と、回転双曲面の一部を切り出した形状で、 2 つの焦点を有する第 2の反射鏡と、前記第 2の反射鏡からの光信号を電気信号に変換する光検出器と、を備え、前記第 2の反射鏡を、いずれか一方の焦点と前記第 1の反射鏡の焦点が一致するように配置し、さらに、前記光検出器を、前記第 2の反射鏡の他方の焦点の近傍に配置することを特徴とする。

この発明によれば、第 1の反射鏡および第 2の反射鏡を備えることで、従来と比較して、非常に広い視野において収差を低減でき、撮像する被写体の角度範囲を非常に大きくすることができる。すなわち、大きな視野で撮像したにおいても、像の周辺がぼけることなく、良好な画像が得られる。また、従来のように、被写体からの光が、第 1の反射鏡に入射する前に第 2の反射鏡によって遮られることがなく、ケラレが発生しないため、光量が損なわれない。

つぎの発明にかかる撮像装置にあっては、前記第 1の反射鏡と前記第 2の反射鏡の少なくともいずれ力一方を、 3次以上の非球面成分をもつ形状とすることを特徴とする。

この発明によれば、高次の変形を加え、反射鏡を一般非球面化するため、さらに精度よく収差を低減することができる。

つぎの発明にかかる撮像装置にあっては、ゼルニケ多項式で表される非回転対称の形状をもつ第 1の反射鏡と、ゼルニケ多項式で表される非回転対象の形状をもつ第 2の反射鏡と、前記第 2の反射鏡からの光信号を電気信号に変換する光検出器と、を備え、前記第 1の反射鏡および前記第 2の反射鏡を、入射光に対する各反射鏡の角度が 4 5度になるように配置し、さらに、前記光検出器を、前記第 2の反射鏡の焦点の近傍に配置することを特徴とする。

この発明によれば、第 1の反射鏡おょぴ第 2の反射鏡を備えることで、従来と比較して、非常に広い視野において収差を低減でき、撮像する被写体の角度範囲を非常に大きくすることができる。すなわち、大きな視野で撮像した ¾ ^においても、像の周辺がぼけることなく、良好な画像が得られる。また、従来のように、被写体からの光が、第 1の反射鏡に入射する前に第 2の反射鏡によって遮られることがなく、ケラレが発生しないため、光量が損なわれない。

つぎの発明にかかる撮像装置にあっては、前記第 1の反射鏡と前記第 2の反射鏡のいずれか一方を、ゼルニケ多項式で表される形状とし、他方を回転 2次曲面の一部を切り出した形状とすることを特徴とする。

この発明によれば、一方をゼルニケ多項式で表される形状とし、他方を高次の変形を加えかつ一般非球面化するため、さらに精度よく収差を低減することがでさる。図面の簡単な説明

第 1図は、本発明にかかる撮像装置の実施の形態 1の構成を示す図であり、第 2図は、性能比較の計算に使用した実施の形態 1の反射鏡の形状を示す図であり、第 3図は、本実施の形態の撮像装置および従来の撮像装置における撮像可能な像の大きさを示す図であり、第 4図は、本発明にかかる撮像装置の実施の形態 2 の構成を示す図であり、第 5図は、性能比較の計算に使用した実施の形態 2の反射鏡の形状を示す図であり、第 6図は、本実施の形態の撮像装置および従来の撮像装置における撮像可能な像の大きさを示す図であり、第 7図は、カセグレン式およびリッチ一·クレチャン式の撮像装置の構成を示す図であり、第 8図は、グレゴリー式の撮像装置の構成を示す図である。発明を実施するための最良の形態

本発明をより詳細に説術するために、添付の図面に従ってこれを説明する。まず、実施の形態 1の構成について説明する。第 1図は、本発明にかかる撮像装置の実施の形態 1の構成を示す図である。

第 1図において、 1は回転放物面の一部を切り出した形状の第 1反射鏡である。なお、この回転放物面は、唯一の焦点を有する。 2は回転双曲面の一部を切り出した形状の第 2反射鏡であり、回転軸は、第 1反射鏡 1とは異なる。なお、この回転双曲面は、 2つの焦点を有する。また、第 2反射鏡 2の焦点の一方（点 A ) は、第 1反射鏡の焦点と一致するように配置されている。 3は第 2反射鏡 2に対して被写体側に置かれた光検出器であり、第 2反射鏡 2の他方の焦点（点 B) の近傍に配置されている。なお、 2つの焦点をもつ回転面において、被写体から発せられた光は、第 1反射鏡 1により虚像として点 Aに結像され、そして、第 2 反射鏡により光検出器 3の近傍に像を形成する。

このように、本実施の形態の撮置は、上記のように構成することで、被写体からの光を遮ることなく、光検出器 3に導くことができる。

また、第 1反射鏡 1および第 2反射鏡 2は、回転面の一部を切り出した非回転対称な形状をしているが、コンピュータ制御の精密加工技術を適用すれば、材料を効率的に使用できることができる。

ここで、本実施の形態の撮像装置の性能を従来の撮像装置と比較する。第 2図は、性能比較の計算に使用した反射鏡の形状を示す図である。ただし、回転軸の角度差は 5 6度である。

第 3図は、本実施の形態の撮像装置および従来の撮像装置における、撮像可能な像の大きさを示す図である。なお、ここでは、横軸が入射角度（視野角）を表し、縦軸が 8 0 %の光量を含む像の直径を表す。また、計算条件は、光の波長; L を Ι μ ιηとし、 Fナンバーを 4 . 0とする。

このように、本実施の形態においては、上記のような 2つの反射鏡（第 1反射鏡 1、第 2反射鏡 2に相当）を備えることで、従来と比較して、非常に広い視野において収差を低減でき、撮像する被写体の角度範囲を非常に大きくすることができる。すなわち、大きな視野で撮像した場合においても、像の周辺がぼけることなく、良好な画像が得られる（第 3図参照）。

また、本実施の形態においては、従来のように、被写体からの光が、第 1反射鏡 1に入射する前に第 2反射鏡 2によって遮られることがなく、ケラレが発生しないため、光量が損なわれない。また、回折により像がぼけることもない。

なお、本実施の形態では、第 1反射鏡 1に開口を有する構造としたが、これに限らず、たとえば、第 2反射鏡 2に開口を有する構成としてもよいし、または、第 1反射鏡 1の前，第 1反射鏡 1と第 2反射鏡 2の間，あるいは第 2反射鏡 2の後ろ，などに開口絞りを設ける配置としてもよい。また、 2次より高次の変形を加え、反射鏡を一般非球面化することにより、収差を低減することはよく知られているが、これにならって、たとえば、第 1反射鏡 1を、回転放物面から微小に変形するような 3次以上の非球面成分を有する形状としてもよいし、または、第 2反射鏡を、回転双曲面から微小に変形するような 3次以上の非球面成分を有する形状としてもよい。

第 4図は、本発明にかかる撮像装置の実施の形態 2の構成を示す図である。 1 1はゼルニケ多項式で表される非回転対称の第 1反射鏡であり、 1 2もゼルニケ多項式で表される非回転対称の第 2反射鏡である。 1 3は第 2反射鏡 1 2に対して被写体側に置力ゝれた光検出器であり、 1 4は被写体からの光を制限する開口絞りである。

上記ゼルニケ多項式は、単位円を覆う動径座標をと eで表したものである。たとえば、 n次の多項式は、（1 ) 式で表すことができる。ただし、 nと mは 0 以上の正数で、 n mは偶数である。

¾,_m(R _eXp[i m ( 1 )

ここで、本実施の形態の撮像装置の性能を従来の撮像装置と比較する。第 5図は、性能比較の計算に使用した反射鏡の形状を示す図である。ただし、入射光に対する反射鏡の角度はそれぞれ 4 5度である。

第 6図は、本実施の形態の撮像装置おょぴ従来の撮像装置における、撮像可能な像の大きさを示す図である。なお、ここでは、横軸が入射角度（視野角）を表し、縦軸が 8 0 %の光量を含む像の直径を表す。また、計算条件は、光の波長; L を l /z mとし、 Fナンパ一を 4 . 0とする。

このように、本実施の形態においては、上記のような 2つの反射鏡（第 1反射鏡 1 1 , 第 2反射鏡 1 2に相当）を備えることで、従来と比較して、非常に広い視野において収差を低減でき、撮像する被写体の角度範囲を非常に大きくすることができる。すなわち、大きな視野で撮像した場合においても、像の周辺がぼけることなく、良好な画像が得られる（第 6図参照）。

また、本実施の形態においては、従来のように、被写体からの光が、第 1反射鏡 1 1に入射する前に第 2反射鏡 1 2によって遮られることがなく、ケラレが発' 生しないため、光量が損なわれない。また、回折により像がぼけることもない。なお、本実施の形態では、第 1反射鏡 1 1と第 2反射鏡 1 2の間に開口絞り 1 4を配置する構成としたが、これに限らず、たとえば、第 1反射鏡 1 1の前，第 2反射鏡 1 2の後ろ，などに配置する構成としてもよいし、または、第 1反射鏡 1 1あるいは第 2反射鏡 1 2に開口を有する構成としてもよい。

また、本実施の形態においては、第 1反射鏡 1 1およぴ第 2反射鏡 1 2で用いるゼルニケ多項式の項数を 3項までとしたが、これに限らず、さらに高次の項を使用することとしてもよい。高次の項を用いる^^には、像の大きさをさらに小さくすることができる。

また、本実施の形態においては、第 1反射鏡 1 1と第 2反射鏡 1 2の双方をゼルニケ多項式で表される形状としたが、これに限らず、たとえば、いずれか一方をゼルニケ多項式で表される形状とし、他方を回転 2次曲面の一部を切り出した形状としてもよい。また、上記回転 2次曲面に高次の非球面項を加えることとしてもよい。

また、本実施の形態においては、非回転対称な反射鏡の形状を一般に良く用いられるゼルニケ多項式で表したが、このゼルニケ多項式をその他の関数で置き換えた:^でも同様な効果が得られるものとする。また、波長を Ι μ πιとして説明したが、その他の波長範囲においても、同様の効果が得られる。産業上の利用可能性

以上のように、本発明のかかる撮像装置は、望遠鏡のように遠くの被写体を狭い視野で撮像する場合や、大きな被写体を広い視野で撮像する場合に有用であり、特に、比較的大きな被写体を広レ、視野で撮像するための I Rカメラ用光学系に適している _c

Claims

請求の範囲

1 . 回転放物面の一部を切り出した形状で、唯一の焦点を有する第 1の反射鏡と、

回転双曲面の一部を切り出した形状で、 2つの焦点を有する第 2の反射鏡と、前記第 2の反射鏡からの光信号を電気信号に変換する光検出器と、

を備え、

前記第 2の反射鏡を、いずれか一方の焦点と前記第 1の反射鏡の焦点が一致するように配置し、さらに、前記光検出器を、前記第 2の反射鏡の他方の焦点の近傍に配置することを特徴とする撮像装置。

2 . 前記第 1の反射鏡と前記第 2の反射鏡の少なくともいずれか一方を、 3次以上の非球面成分をもつ形状とすることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の

3 . ゼルニケ多項式で表される非回転対象の形状をもつ第 1の反射鏡と、ゼルニケ多項式で表される非回転対象の形状をもつ第 2の反射鏡と、前記第 2の反射鏡からの光信号を電気信号に変換する光検出器と、

を備え、

前記第 1の反射鏡および前記第 2の反射鏡を、入射光に対する各反射鏡の角度が 4 5度になるように配置し、さらに、前記光検出器を、前記第 2の反射鏡の焦点の近傍に配置することを特徴とする撮像装置。

4. 前記第 1の反射鏡と前記第 2の反射鏡のいずれか一方を、ゼルニケ多項式で表される形状とし、他方を回転 2次曲面の一部を切り出した形状とすることを特徴とする請求の範囲第 3項に記載の撮像装置。