WO2006100721A1 - 撮像光学系 - Google Patents

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WO2006100721A1
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optical system
imaging optical
reflecting
reflecting mirror
mirror
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PCT/JP2005/004967
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French (fr)
Inventor
Takayuki Nakano
Yasuhisa Tamagawa
Original Assignee
Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/02Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system
    • G02B17/06Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror
    • G02B17/0626Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror using three curved mirrors

Definitions

  • the present invention relates to an optical system that can be used over a wide wavelength band using a reflecting mirror, and more particularly to an imaging optical system that is optimal for use in an imaging apparatus that captures an image of a subject such as a camera. .
  • a function required for an optical system used in an image pickup apparatus is to form an image of a subject on an image plane by bending and condensing light incident from the subject.
  • Examples of such an optical element having a function of bending light include a lens that bends light using a difference in refractive index and a reflector that bends light using reflection.
  • the refractive index of the lens material generally has chromatic aberration due to the difference in size depending on the wavelength of light, a change in refractive index with respect to the wavelength is necessary to obtain a constant imaging performance over a wide wavelength band.
  • Complicated corrections such as combining two or more lenses with different colors, V, and achromatic color must be performed.
  • any material can be used as long as the reflecting surface can be coated with a reflecting material having sufficient performance. Therefore, an inexpensive optical system can be obtained for any wavelength band. it can. Further, since the reflection action does not depend on the wavelength of light, there is no chromatic aberration over a wide wavelength band, and an optical system can be easily obtained.
  • the reflection type optical system since the incident light beam to the reflection surface and the reflected light beam appear on the same side with respect to the reflection surface, the position of the reflector on the next surface is also on the same side as the incident light beam. For this reason, the phenomenon that the reflecting mirror on the next surface blocks the incident light, so-called vignetting, or if vignetting occurs immediately, the amount of incident light decreases, and a bright and optical system cannot be obtained.
  • the incident light beam is tilted with respect to the axis of the optical system.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a conventional reflective imaging optical system (see Non-Patent Document 1 and Patent Document 1).
  • the coordinate system on the drawing is represented by a right-handed coordinate system in which the right direction in the figure is the + z direction, the upper direction in the figure is the + y direction, and the upper direction perpendicular to the paper is the + X direction.
  • the conventional imaging optical system shown in FIG. 6 uses a light beam having a predetermined inclination in the y direction with respect to the axis 11 of the optical system as the incident light beam 12 incident on the optical system.
  • the first reflector 1 has a convex spherical shape
  • the second reflector 2 has a concave spheroidal shape
  • the third reflecting mirror 3, the aperture stop 10, and the image plane 4 can be arranged so as not to overlap in the y direction. As a result, this optical system achieves an angle of view of 30 ° X 20 ° with FZ4 brightness.
  • Non-Patent Document 1 Kenneth L. Hallam et al. "An all-reflective wide-angle flat-field
  • Patent Document 1 USP4,598,981 (WIDE-ANGLE FLAT FIELD TELESCOPE)
  • the distance between the second reflecting mirror 2 and the third reflecting mirror 3 that is the longest is 130 mm, which is approximately 3.6 times the focal length of 36 mm. It has become a very large optical system.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to obtain a compact, bright and high-resolution imaging optical system.
  • the imaging optical system includes three reflecting mirrors arranged in the order of the first reflecting mirror, the second reflecting mirror, and the third reflecting mirror in the order of the optical path of the incident light beam,
  • the first reflecting mirror and the first reflecting mirror are formed.
  • a convex mirror is used for one of the reflecting mirrors, and a concave mirror is used for the other, and the first reflecting light with respect to the central principal ray defined as the principal ray of the light beam to be imaged at the center of the imaging surface.
  • the reflection point of the central chief ray on the reflection surface and the image formation point of the central chief ray form the apex of a triangular pyramid, and on the first reflection surface
  • a surface including three points of the reflection point of the central principal ray, the reflection point of the central principal ray on the second reflection surface, and the reflection point of the central principal ray on the third reflection surface It is characterized by the fact that it coincides with the surface where two triangular pyramids are made.
  • the entire optical system can be reduced in size by reducing the interval between the reflecting mirrors, and a high-resolution imaging optical system in which aberration is suppressed can be obtained.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an imaging optical system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram of an optical system that suppresses aberrations that cause image blurring.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing an imaging optical system according to Embodiment 2 of the present invention
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing an imaging optical system according to Embodiment 3 of the present invention
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a conventional reflective imaging optical system.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an imaging optical system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the light beam propagated from the subject is first incident on the first reflecting mirror 1 in the optical system, and the light beam reflected by the first reflecting mirror 1 is then incident on the second reflecting mirror 2.
  • the light beam reflected by the second reflecting mirror 2 then enters the third reflecting mirror 3, and the light beam reflected by the third reflecting mirror 3 forms an image of the object on the image plane 4.
  • Reference numeral 5 denotes an optical path of the central principal ray that indicates the principal ray of the light beam that forms an image at the center of the imaging plane 4.
  • the reflection point of ray 5 and the image point of central principal ray 5 on image plane 4 form the apex of triangular pyramid 6.
  • the surface where the two triangular pyramids that compose the triangular pyramid 6 are bonded together is called the reference plane here.
  • the reflection point of the central principal ray 5 on the first reflector 1, the reflection point of the central principal ray 5 on the second reflector 2, and the reflection of the central principal ray 5 on the third reflector 3 The plane containing the point and the reference plane of the triangular bipyramid 6 coincide.
  • a convex mirror is used for one of the first reflecting mirror 1 and the third reflecting mirror 3, and a concave mirror is used for the other.
  • the optical system according to the first embodiment does not have a central shielding inside the optical system with respect to the incident light, so that the image can be obtained without losing the incident light.
  • An image can be formed on the surface.
  • the central principal ray 5 is set to be a zigzag optical path on one plane.
  • the first reflecting mirror 1 and the third reflecting mirror 3 do not need to be arranged in parallel to each other, so that the mirror interval can be reduced and the entire size can be reduced.
  • the central principal ray 5 of the light ray incident on the first reflecting mirror 1 and the light ray reflected by the third reflecting mirror 3 is not on the reference plane. For this reason, a space for propagating these rays is secured on the reference plane. Since it is possible to reduce the distance between the reflecting mirrors, the entire optical system can be made smaller.
  • a new aberration that is, an image blur, is generated by using a twisted structure in which the central principal ray 5 is not on one plane as in the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the mechanism of this aberration generation.
  • Fig. 2 (a) shows that the light beam is aberration-free by the concave mirror, that is, all the light rays are completely imaged at one point.
  • the principal ray of the incident ray (the ray passing through the center of the reflector) and the reflected ray lie on the same plane perpendicular to the page, that is, they are structured with a twist and a twist.
  • a convex mirror is used in combination with either one of the first reflecting mirror 1 and the third reflecting mirror 3 and a concave mirror is used on the other side. It is generated by adding a twist to the central chief ray 5 by setting the incident central chief ray 5 and the central chief ray 5 reflected by the third reflecting surface 3 to form opposite ridges of the triangular pyramid 6. Aberrations can be canceled and reduced. As a result, it is possible to design a compact optical system while suppressing image blur.
  • either the first reflecting mirror 1 or the third reflecting mirror 3 may be a convex mirror.
  • the first reflecting mirror 1 can be a compact mirror if the first reflecting mirror 1 is a convex mirror. It is possible to design an optical system. Naturally, at that time, the third reflecting mirror 3 becomes a concave mirror.
  • the reflecting mirror 1 By making the reflecting mirror 1 a convex mirror, the spread of the reflected light with respect to the viewing angle is reduced, so that the spread of the light within the optical system can be suppressed. As a result, the size of the mirror that reflects the light beam is also reduced, and the optical system can be miniaturized.
  • the angle formed by the central principal ray 5 incident on the first reflecting mirror 1 with respect to the reference plane of the triangular pyramid 6 is ⁇
  • the third reflection By setting the shape of the triangular pyramid 6 so that 0.5 ⁇ '/ ⁇ ⁇ 2.0 is satisfied, where the angle formed by the central principal ray 5 reflected by the mirror 3 is 0', the image It is possible to obtain an optical system that suppresses aberrations that cause blurring.
  • the aberrations of the first reflecting mirror 1 and the third reflecting mirror 3 generated by adding a twist to the central principal ray 5 cancel each other.
  • the generated wavefront aberration can be approximated by twice the amount of reflection point change on the reflector caused by the twist.
  • the twist angle is ⁇
  • the displacement ⁇ of the reflection point generated in the peripheral ray with the principal ray power height h is given by Equation (1).
  • the first term on the right side is the displacement term caused by the tilting of the reflector, and the second term is the displacement term that occurs with the shape of the reflector.
  • the amount of wavefront aberration can be estimated approximately by equation (2). From this equation, if the curvature radius of the first reflector 1 and the third reflector 3 is approximately equal to the height of the peripheral ray from the principal ray, it will occur when the central principal ray 5 is twisted. Aberrations are also approximately the same if the twist angles are equal.
  • the twist angle of the central principal ray 5 by the first reflector 1 is equal to ⁇
  • the twist angle by the third reflector 3 is equal to 0, so that 0.5 ⁇ 0, Z 0 ⁇ 2.0
  • the amount of aberration generated by the first reflecting mirror 1 and the third reflecting mirror 3 is almost the same, and can be canceled out to make the amount of aberration almost zero as a whole.
  • a high-precision reflector can be produced with high productivity by processing the transfer mirror by transferring its shape using a mold.
  • Examples of the production method for transferring the mold shape include press molding, injection molding, and molding.
  • a polymer material as the material for the three reflecting mirrors, the cost of a material with high moldability can be kept low.
  • a sufficient reflectivity can be obtained by coating the reflective surface with a metal having a high reflectivity in the wavelength band targeted by the optical system.
  • the imaging optical system of Embodiment 1 may be used as an optical system in the infrared region.
  • a special and expensive material such as germanium or silicon is generally used as a lens material. Therefore, low cost can be achieved by using an optical system composed only of the reflecting mirror of the first embodiment. Can do.
  • An infrared reflecting mirror can be produced by coating a metal having a high reflectance such as aluminum. Since such metals are generally available and processing is not special, it is possible to keep costs low.
  • the optical system can be made compact by placing an aperture stop at the position of the second reflecting mirror 2.
  • the viewing angle of the optical system when the viewing angle of the optical system is large, the spread of the light increases accordingly, and a large reflecting surface is required. The spread of the light beam according to the viewing angle increases as the optical path length increases from the position of the stop.
  • the spread of the light beam increases each time the light beam propagates through the second reflecting surface and the third reflecting surface, and a large reflecting surface is required. Therefore, the spread of the light beam can be minimized by disposing the stop in the vicinity of the second reflecting surface 2 located substantially in the middle of the optical path of the optical system. As a result, since the size of the reflecting mirror can be suppressed, the size of the entire optical system can be made compact.
  • the aperture stop may be provided separately from the second reflecting mirror 2, or the same effect can be obtained by using the light reflecting area of the second reflecting mirror 2 as an aperture stop.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing an imaging optical system according to Embodiment 2 of the present invention.
  • a new reference numeral 7 denotes an image forming member which is an integral part including the structure of the first reflecting mirror 1, the second reflecting mirror 2, and the third reflecting mirror 3.
  • the second embodiment it is possible to design a compact optical system while suppressing blurring of the image by the first reflecting mirror 1, the second reflecting mirror 2, and the third reflecting mirror 3. As shown in Form 1. Power!
  • the second embodiment since all the reflecting mirrors are united by the imaging member 7, it is not necessary to perform the work such as mounting and adjustment, which makes it unnecessary to align the reflecting mirrors during processing. Processing cost can be reduced. In addition, there will be no performance degradation due to errors in the installation position of the reflector.
  • the force of the imaging member 7 having a cylindrical shape includes the structure of the first reflecting mirror 1, the second reflecting mirror 2, and the third reflecting mirror 3. Any shape can be used as long as the structure does not block light rays that enter from the subject and form an image on the image plane 4.
  • the outer shape may be a cube, or it may be a triangular prism.
  • the imaging member 7 can be assembled even if the imaging member 7 is divided into about two parts with an integral part, and the processing cost can be reduced.
  • the imaging member 7 can easily process the reflecting mirror by dividing the force in the shape of a cylinder, for example, into two by a vertical plane passing through the center of the circle.
  • the imaging member 7 is a body part, it is necessary to cut out the inside in order to create the shape of the reflecting mirror, which is difficult.
  • the reflector can be made into a normal outer shape, which is easy.
  • part or all of the reflecting mirror may be created as a separate part and attached to the imaging member 7.
  • the reflector is a component that requires strict processing accuracy. Among them, the required mirror accuracy is ensured by making the reflector that requires particularly strict accuracy a separate component, resulting in high imaging performance. Can be obtained.
  • the imaging member 7 can be produced with high mass productivity by processing the image forming member 7 by transferring its shape using a mold.
  • a mold For making molds, it is necessary to use high-precision 3-axis control such as grinding 1 grinding. However, if one mold is created, it is possible to create many reflectors. Mass production is possible at a low cost.
  • Examples of the creation method for transferring the mold shape include press molding, injection molding, and molding.
  • a polymer material as the material, the cost of a material with high moldability can be kept low.
  • the reflection surface has a high reflectance in the wavelength band targeted by the optical system, and a sufficient reflectance can be obtained by coating with a metal.
  • the imaging member 7 in a divided manner as described above, it is not necessary to process the reflector inside the cylindrical shape, and everything can be processed into an outer shape, making it easy to mold. become.
  • the reflecting mirror is provided on the inner surface of the imaging member 7, and the light beam is propagated through the inner space while being reflected by the reflecting mirror.
  • a structure may be adopted in which a reflecting mirror is provided on the side surface and light rays propagate inside the imaging member 7.
  • a transmissive material is used as the material of the imaging member 7. With such a structure, the imaging member can be made small.
  • the reflecting mirror can be formed by coating a surface with a metal having high reflectivity in the wavelength band targeted by the optical system. At this time, since the reflecting mirror has the outer shape of the imaging member 7, it is easier to process than the embodiment in the inner space.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing an imaging optical system according to Embodiment 3 of the present invention.
  • 8 is a relay lens that re-forms the image formed by the third reflecting mirror 3 on the image plane 4
  • 9 is a field stop placed at the position where the image is formed by the third reflecting mirror 3. It is.
  • the relay lens 8 and the field stop 9 by providing the relay lens 8 and the field stop 9, stray light incident on the external force of the field can be blocked and an image with high contrast can be obtained.
  • light rays (stray light) other than light rays that are reflected and formed in order from the first reflective surface 1, the second reflective surface 2, and the third reflective surface 3 are incident on the image surface 4, the light rays function to form an image. Without increasing the overall brightness of the image plane and reducing the contrast.
  • the imaging optical system shown in the first embodiment is incorporated as a part of the optical system having the relay lens 8 and the field stop 9 is shown.
  • the imaging optical system of Embodiment 1 may be incorporated as a submodule constituting the optical system.
  • the imaging optical system of Embodiment 1 can be used in place of the large lens used in the telephoto system.
  • the price is a problem when the weight or material is expensive.
  • the imaging optical system according to Embodiment 1 that can use a polymer material is compared with that. It is lightweight and can be made inexpensively. Also
  • the reflecting mirror does not cause chromatic dispersion.
  • an optical system in which image blur is not caused by chromatic aberration can be obtained.
  • an optical element having a function of correcting aberration may be added to the subsequent stage or the previous stage of the imaging optical system shown in the first embodiment.
  • the optical system is designed by allocating the degree of freedom such as the curvature and spacing of the reflecting mirrors to performance such as aberration correction and downsizing of the optical system. This degree of freedom and the effect of assigning it are limited, satisfying all performance conditions. This is the reason why it is difficult to design an optical system.
  • the excess degree of freedom can be used to satisfy other performance such as downsizing of the optical system.
  • Examples of such an optical element that performs an aberration correction function as an additional element include a field flattener having a function of correcting curvature of an image surface.
  • a configuration in which one or a plurality of plane mirrors are added in addition to the force of the imaging optical system configured by three reflecting mirrors may be adopted.
  • the shape of the optical path can be changed, and the shape of the imaging optical system can be changed to an arbitrary shape, and the direction of the light rays incident on the optical system and the light beam can be changed.
  • the length can be shortened to about half, and the imaging optical system can be downsized. it can.
  • the imaging optical system can be imaged in an arbitrary direction while being fixed. Since the plane mirror has no effect on the imaging function, image blurring does not occur when the plane mirror is inserted.
  • the imaging optical system according to the present invention is suitable for use in an imaging apparatus that captures an image of a subject such as a camera, because the entire optical system can be downsized and a high-resolution imaging optical system can be obtained. .

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Abstract

 コンパクトで明るく高分解能な撮像光学系を得る。  入射光線の光路順に配置された第1反射鏡1、第2反射鏡2及び第3反射鏡3でなる3枚の反射鏡を有し、3枚の反射鏡は、入射光線を遮蔽することなく配置され、3枚の反射鏡で反射された光線が結像面4を形成する撮像光学系において、第1反射鏡1と第3反射鏡3のどちらか一方に凸面鏡を使用し、もう片方に凹面鏡を使用し、中心主光線5に対して、第1反射面に入射する中心主光線5上の適当な点と、第1~第3反射面上の各中心主光線の反射点と、中心主光線の結像点とが三角両錐6の頂点を成し、第1~第3反射面上の中心主光線の反射点の3点を含む面が三角両錐6を作る2つの三角錐を貼り合わせた面と一致する。

Description

撮像光学系
技術分野
[0001] この発明は、反射鏡を用いた、広い波長帯にわたって使用可能な光学系に関し、 特にカメラなどの被写体の像を撮影する撮像装置に用いて最適な撮像光学系に関 するものである。
背景技術
[0002] 撮像装置に使用する光学系に求められる機能は、被写体から入射する光を屈曲さ せて集光することにより、被写体の像を像面に結像することである。このような光を屈 曲させる作用を持つ光学素子として、例えば屈折率の違いを利用して光を曲げるレ ンズや、反射を利用して光を曲げる反射鏡が挙げられる。
[0003] レンズに関しては、内部を光が透過するため、所望の波長帯に対して透過率の十 分大きい材料を用いる必要がある。また、紫外線や赤外線など特殊な波長帯によつ ては材料が高価なものに限られ、コストの面で問題となる。
[0004] さらに、レンズの材料の屈折率は一般に光の波長によって大きさが異なることに起 因する色収差があるため、広い波長帯にわたって一定の結像性能を得るには波長に 対する屈折率変化の違うレンズを 2枚以上組み合わせるなどの複雑な補正、 V、わゆ る色消しを行わなければならな 、。
[0005] 反射鏡に関しては、反射面を十分な性能を持つ反射材でコーティングすることがで きればその材料は問わな 、ため、どの波長帯に対しても低価格な光学系を得ること ができる。また、反射作用は光の波長に依存しないので、広い波長帯域に対して色 収差のな!、光学系を容易に得ることができる。
[0006] しかし、反射型光学系では反射面への入射光線とその反射光線が反射面に対して 同じ側に現れるため、次面の反射鏡位置も入射光線と同じ側になる。このため、次面 の反射鏡が入射光線を遮る現象、いわゆるケラレが起こりやすぐケラレが起こると入 射光線の光量が減少するため明る 、光学系が得られな 、。
[0007] ケラレを避けるには、例えば入射光線を光学系の軸に対して傾けて用い、光線が 入射してくる方向と出射していく方向に角度を付ける方法がある。次面の反射鏡は当 然光線が出射して 、く方向に配置されるため、光線が入射してくる方向と出射して ヽ く方向に角度を付けて方向を変えることで、次面の反射鏡が入射光線と重なることを 防ぎ、ケラレを防止することができる。
[0008] 例えば、図 6は従来の反射型の撮像光学系(非特許文献 1及び特許文献 1参照)を 示す断面図である。図面上での座標系は、図中右方向が + z方向、図中上方向が + y方向、紙面に垂直上方向が + X方向となる右手座標系で表す。
[0009] 図 6に示す従来の撮像光学系は、光学系に入射する入射光線 12として光学系の 軸 11に対して y方向に所定の傾きを持った光線を使 、、入射光線 12を 1平面上でジ グザグに折り返すことで、凸の球面形状を成している第 1反射鏡 1、凹の回転楕円面 の形状を成している第 2反射鏡 2、凹の球面形状を成している第 3反射鏡 3、開口絞り 10、及び像面 4に対して y方向で重ならない配置を可能にしている。その結果、この 光学系は FZ4の明るさで、 30° X 20°の画角を実現している。
[0010] 非特許文献 1: Kenneth L. Hallam等 "An all-reflective wide-angle flat-field
telescope for space", Instrumentation in astronomy V; Proceedings of the Fifth Meeting, 1983
特許文献 1 : USP4,598,981 (WIDE-ANGLE FLAT FIELD TELESCOPE)
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0011] 上述のような従来の反射型の撮像光学系にお!/、ては、各反射鏡での光線の反射 角を大きくした場合、第 1反射鏡 1、第 2反射鏡 2、第 3反射鏡 3の y方向での間隔が 広がるため、光線を遮ることなく大きな反射鏡を配置することができる。その結果、入 射光線を増やして明るい光学系を得ることができるが、 y方向に光学系が大型化する という問題があった。
[0012] 一方、反射鏡での光線の反射角を小さくした場合には反射鏡の y方向での間隔を 大きくするため z方向に十分長い光路を設定する必要があるため、 z方向に光学系が 大型化するという問題があった。また、第 1反射鏡 1、第 2反射鏡 2、第 3反射鏡 3およ び開口絞り 10、像面 4は全て xy平面に平行に近い角度で配置してある。このため、こ れらの光学素子は y方向に大きな構造をしており、光学系が y方向に大型化する要 因の一つになっていた。
[0013] 例えば、図 6に示す撮像光学系の場合、最も長くなる第 2反射鏡 2と第 3反射鏡 3の 間の距離は、焦点距離 36mmに対して約 3. 6倍の 130mmであり、非常に大きな光 学系になっている。
[0014] この発明は上述のような問題点を解決するためになされたもので、コンパクトで明る く高分解能な撮像光学系を得ることを目的とする。
課題を解決するための手段
[0015] この発明に係る撮像光学系は、入射光線の光路順で、第 1反射鏡、第 2反射鏡、及 び第 3反射鏡の順に配置された 3枚の反射鏡を有し、前記 3枚の反射鏡は、前記入 射光線を遮蔽することなく配置され、前記 3枚の反射鏡で反射された光線が結像面 を形成する撮像光学系において、前記第 1反射鏡と前記第 3反射鏡のどちらか一方 に凸面鏡を使用し、もう片方に凹面鏡を使用し、前記結像面の中心に結像する光線 の主光線として規定される中心主光線に対して、前記第 1反射面に入射する前記中 心主光線上の適当な点と、前記第 1反射面上の前記中心主光線の反射点と、前記 第 2反射面上の前記中心主光線の反射点と、前記第 3反射面上の前記中心主光線 の反射点と、前記中心主光線の結像点とが三角両錐の頂点を成し、前記第 1反射面 上の前記中心主光線の反射点と、前記第 2反射面上の前記中心主光線の反射点と 、前記第 3反射面上の前記中心主光線の反射点との 3点を含む面が前記三角両錐 を作る 2つの三角錐を貼り合わせた面と一致することを特徴とする。
発明の効果
[0016] この発明によれば、反射鏡の間隔を小さく狭めて光学系全体を小型化することがで き、収差を抑制した高分解能な撮像光学系を得ることができる。
図面の簡単な説明
[0017] [図 1]この発明の実施の形態 1に係る撮像光学系を示す概略図、
[図 2]収差発生の仕組みを示す概略図、
[図 3]像のボケを発生させる収差を抑制した光学系の説明図、
[図 4]この発明の実施の形態 2に係る撮像光学系を示す概略図、 [図 5]この発明の実施の形態 3に係る撮像光学系を示す概略図、
[図 6]従来の反射型の撮像光学系を示す断面図である。
発明を実施するための最良の形態
[0018] 実施の形態 1.
図 1は、この発明の実施の形態 1に係る撮像光学系を示す概略図である。図 1に示 すように、被写体より伝搬した光線は、光学系で最初に第 1反射鏡 1に入射し、第 1反 射鏡 1で反射された光線が次に第 2反射鏡 2に入射する。第 2反射鏡 2で反射された 光線は、次に第 3反射鏡 3に入射し、第 3反射鏡 3で反射した光線が結像面 4で被写 体の像を形成する。なお、 5は結像面 4の中心に結像する光線の主光線を示した中 心主光線の光路である。
[0019] 本実施の形態 1では、第 1反射鏡 1に入射する中心主光線 5上の適当な点、第 1反 射鏡 1、第 2反射鏡 2、第 3反射鏡 3上の中心主光線 5の反射点、像面 4上の中心主 光線 5の結像点の 5点が三角両錐 6の頂点を成すように設定する。三角両錐 6を構成 する 2つの三角錐を貼り合わせた面を、ここでは基準面と呼ぶ。本実施の形態 1では 、第 1反射鏡 1上の中心主光線 5の反射点、第 2反射鏡 2上の中心主光線 5の反射点 、第 3反射鏡 3上の中心主光線 5の反射点を含む平面と三角両錐 6の基準面が一致 している。
[0020] カロえて、本実施の形態 1では、第 1反射鏡 1と第 3反射鏡 3のどちらか一方に凸面鏡 を、もう片方に凹面鏡を使用している。
[0021] 本実施の形態 1の光学系は、カセグレン型光学系のような反射光学系と異なり、入 射光線に対する光学系内部での中心遮蔽を持たないため、入射光線を損失すること なく像面に結像することができる。また、本実施の形態 1の光学系は、第 1反射鏡 1と 第 3反射鏡 3が互いに対向する配置となるため、中心主光線 5を 1平面上でジグザグ の光路となるように設定した光学系と異なり第 1反射鏡 1と第 3反射鏡 3互いに平行に 配置する必要がないため、鏡間隔を小さくすることができ、全体を小型化することがで きる。
[0022] さらに、第 1反射鏡 1に入射する光線と第 3反射鏡 3で反射した光線の中心主光線 5 が基準面上にない。このため、これらの光線を伝搬させる空間を基準面上に確保す る必要がなぐ反射鏡の間隔を小さく狭めることができるため、光学系全体をより小型 ィ匕することがでさる。
[0023] 本実施の形態 1のように、中心主光線 5が 1平面上にはない、ひねりを加えた構造と することにより、一般的には新たな収差、つまり像のボケが発生する。
[0024] 図 2は、この収差発生の仕組みを示した概略図である。図 2 (a)は凹面鏡により光線 が無収差、つまり全ての光線が完全に 1点に結像している様子を示し、入射光線の 主光線 (反射鏡の中心を通る光線)と反射光線の主光線が紙面に垂直な同じ平面上 にある、すなわちひねりをカ卩えて ヽな 、構造をして 、る。
[0025] このとき、前記の通り無収差で結像しているため、各光線の等位相面で表される波 面の形状は結像点を中心とする同心円の円弧と一致する。この状態から、凹面鏡を 傾けることで、主光線にひねりをカ卩えると、図 2 (b)に示すようになる。主光線は反射 鏡に対し斜入射となり、その結果、反射した後の波面に主に曲率の変化と傾きが生じ る。
[0026] この変化後の波面と、結像点を中心とする円弧で表される無収差の波面との差が 収差となり、像のボケを発生させる。同様に凸面鏡についても、ひねりを加えたときに 生じる波面の様子を示したのが図 2 (c)、(d)である。図 2 (c)に示す無収差な状態で 結像して!/、る光学系に、図 2 (d)のように反射鏡に傾きを与えて主光線にひねりを加 えると、波面に曲率半径と傾きの変化が生じる。その形状は凹面鏡で生じた波面の 変化と類似であるが、その方向は凹面鏡で生じている波面変化とは逆の向きである。
[0027] したがって、本実施の形態 1のように、第 1反射鏡 1と第 3反射鏡 3のどちらか一方に 凸面鏡を、もう片方に凹面鏡を組み合わせて使用し、さらに第 1反射面 1へ入射する 中心主光線 5と第 3反射面 3で反射した中心主光線 5が三角両錐 6の対向する稜線 を成すように設定することで、中心主光線 5にひねりを加えたことにより発生する収差 を相殺し、低減することができる。その結果、像のボケを抑制しながらコンパクトな光 学系を設計することが可能となる。
[0028] 上記実施の形態 1では、第 1反射鏡 1と第 3反射鏡 3のどちらが凸面鏡でもいいとし たが、広角な光学系を設計するときには第 1反射鏡 1を凸面鏡とすれば、コンパクトな 光学系を設計することができる。当然そのときには、第 3反射鏡 3が凹面鏡になる。第 1反射鏡 1を凸面鏡とすることにより、反射後の光線の視野角に対する広がりが小さく なるため、光学系内部での光線の広がりを抑制することができる。その結果、光線を 反射する鏡の大きさも小さくなるので、光学系を小型化することが可能になる。
[0029] 上記実施の形態 1において、図 3に示すように、三角両錐 6の持つ基準面に対して 、第 1反射鏡 1に入射する中心主光線 5が成す角を Θ、第 3反射鏡 3で反射した中心 主光線 5が成す角を 0 'とするときに、 0. 5< θ ' / θ < 2. 0を満足するように三角両 錐 6の形状を設定することで、像のボケを発生させる収差を抑制した光学系を得るこ とがでさる。
[0030] 上記の通り、本実施の形態 1の光学系では、中心主光線 5にひねりを加えたことに より発生する第 1反射鏡 1と第 3反射鏡 3の収差を互いに相殺することで低減している 。発生する波面収差は、おおまかにひねりによって生じる反射鏡上の反射点の変化 量の 2倍で近似することができる。つまり、反射鏡の曲率半径を!:、ひねり角を Θとする と、主光線力 高さ hの周辺光線に生じる反射点の変位 Δは、式(1)となる。右辺第 1 項は反射鏡が傾いたことにより生じる変位の項、第 2項は反射鏡の形状に伴って発 生する変位の項である。したがって、波面収差の量はおよそ式(2)により見積もること ができる。この式より、第 1反射鏡 1と第 3反射鏡 3のもつ曲率半径と周辺光線の主光 線からの高さがほぼ等しいと近似すると、中心主光線 5にひねりをカ卩えたときに発生 する収差も、ひねり角が等しければほぼ同程度になる。
[0031] [数 1]
Δ = h0/2 + fr - V 2 - h 2 Ί [l - l/cos(e/2) ] ( i )
[数 2]
( 2 )
Figure imgf000007_0001
[0032] したがって、第 1反射鏡 1による中心主光線 5のひねり角は Θ、第 3反射鏡 3による ひねり角は 0,に等しいので、 0. 5< 0,Z 0 < 2. 0により第 1反射鏡 1と第 3反射鏡 3の収差発生量はほぼ同程度になり、互いに相殺して全体としては収差量をほぼ 0に することができる。
[0033] 上記実施の形態 1において、反射鏡の作成に金型を用いてその形状を転写するこ とにより加工することで、高精度な反射鏡を量産性高く作成することができる。金型の 作成には切肖 IJ ·研削などによる高精度な 3軸制御を用いた加工が必要となる力 一個 の金型を作成すれば多数の反射鏡を作成することが可能であり、低コストで量産する ことが可能である。
[0034] このような、金型形状を転写する作成法としては、プレス成形、射出成形、モールド 成形などがあげられる。 3枚の反射鏡の材料として高分子材料を使用することにより 成形性も高ぐ材料のコストも低く抑えることができる。反射面には光学系が対象とす る波長帯において反射率が高い金属をコートゃメツキすることで、十分な反射率を得 ることがでさる。
[0035] 上記実施の形態 1の撮像光学系を、赤外線領域の光学系として用いてもよい。赤 外線領域ではレンズ材料として一般にゲルマニウムやシリコンなど特殊で高価な材 料を使用するため、本実施の形態 1の反射鏡だけで構成された光学系を使用するこ とで低コストィ匕を行うことができる。
[0036] 赤外線の反射鏡は、アルミニウムなどの反射率が高い金属をコートゃメツキすること で作成することができる。このような金属は一般的に入手可能であり、加工も特殊で はないため、低コストに抑えることが可能である。
[0037] また、上記実施の形態 1において、第 2反射鏡 2の位置に開口絞りを置くことにより 光学系をコンパクトにすることができる。本実施の形態 1にお 、て光学系の視野角が 大きい場合にはそれに応じて光線の広がりも大きくなり、大きな反射面を必要とする。 視野角による光線の広がりは、絞りの位置を起点としてそこから光路長が長くなるほ ど広がりが大きくなる。
[0038] 例えば、第 1反射面 1に絞りを置くと第 2反射面、第 3反射面と光線が伝搬するたび に光線の広がりが大きくなり、大きな反射面を必要とする。 [0039] したがって、光学系の光路のほぼ中間に位置する第 2反射面 2近傍に絞りを配置 することによって光線の広がりを最小とすることができる。その結果、反射鏡の大きさ を抑制することができるため、光学系全体の大きさをコンパクトにすることができる。こ のとき、開口絞りは第 2反射鏡 2とは別に設けてもいいし、第 2反射鏡 2の光線反射領 域をも用いて開口絞りとしても同様の効果が得られる。
[0040] 実施の形態 2.
図 4は、この発明の実施の形態 2に係る撮像光学系を示す概略図である。図 4にお いて、図 1に示した実施の形態 1の撮像光学系と同一または相当部分には同一符号 を付し、その説明を省略する。新たな符号として、 7は、第 1反射鏡 1、第 2反射鏡 2、 第 3反射鏡 3の構造を含んで一体部品となって 、る、結像部材を示す。
[0041] 本実施の形態 2において、第 1反射鏡 1、第 2反射鏡 2、第 3反射鏡 3により像のボケ を抑制しながらコンパクトな光学系を設計することが可能とことは、実施の形態 1に示 した通りである。力!]えて、本実施の形態 2では、全ての反射鏡が結像部材 7により一 体となっているため、加工時に各反射鏡の位置あわせをする必要がなぐ取り付けや 調整などの作業が不要となり加工コストが低減できる。さらに、反射鏡の取り付け位置 誤差による性能低下が発生しな 、。
[0042] この実施の形態 2では、図 4に示すように、結像部材 7の外形を円柱形状としている 力 第 1反射鏡 1、第 2反射鏡 2、第 3反射鏡 3の構造を含み、被写体から入射して像 面 4で結像する光線を遮らな 、構造ならば、どのような形状をして 、ても使用すること ができる。例えば、その外形が立方体をしていても構わないし、三角柱のような形でも 問題ない。
[0043] また、上記実施の形態 2では、結像部材 7は一体部品とした力 2つ程度の部品に 分かれていても組み立ては用意であり、加工コストを抑えることができる。また、結像 部材 7は円柱の形状をしている力 例えばこれを円の中心を通る垂直な面で二つに 分割することにより、反射鏡の加工を容易にすることができる。結像部材 7がー体部 品であるときには、反射鏡の形状を作成するために内側をくり抜くような加工をする必 要があり、この加工は困難である。上記のように 2つの部品に分割することにより、反 射鏡を通常の外形加工とすることができるため、容易となる。 あるいは、反射鏡の一部もしくは全部を別部品として作成し、結像部材 7に取り付け てもいい。
[0044] 反射鏡は厳しい加工精度を要求される部品であり、その中でも特に厳しい精度を 要求される反射鏡を別部品とすることで、必要な加工精度を確保し、その結果高い 結像性能を得ることができる。
[0045] また、上記実施の形態 2にお 、て、結像部材 7の作成に金型を用いてその形状を 転写することにより加工することで、量産性高く作成することができる。金型の作成に は切肖 1 研削などによる高精度な 3軸制御を用いた加工が必要となるが、一個の金型 を作成すれば多数の反射鏡を作成することが可能であり、低コストで量産することが 可能である。
[0046] このような、金型形状を転写する作成法としては、プレス成形、射出成形、モールド 成形などがあげられる。材料として高分子材料を使用することにより成形性も高ぐ材 料のコストも低く抑えることができる。反射面には光学系が対象とする波長帯におい て反射率が高 、金属をコートゃメツキすることで、十分な反射率を得ることができる。 また、上記に示した通り結像部材 7を分割して作成することで、円柱形状の内部に反 射鏡を加工する必要がなくなり、全てが外形加工とすることができるため、成型が容 易になる。
[0047] また、上記実施の形態 2では、結像部材 7の内側の面に反射鏡を持ち、内側の空 間を光線が反射鏡で反射ながら伝搬する構造としたが、結像部材 7の側面に反射鏡 を持ち、結像部材 7の内部を光線が伝搬する構造としてもよい。勿論、結像部材 7の 材料には透過材料を用いる。このような構造とすることにより、結像部材を小さくする ことができる。
[0048] また、反射鏡は表面に光学系が対象とする波長帯において反射率が高い金属をコ 一トゃメツキすることで作成することができる。このとき、反射鏡は結像部材 7の外形形 状となるため、内側の空間にある実施の形態と比較して加工が容易である。
[0049] 実施の形態 3.
図 5は、この発明の実施の形態 3に係る撮像光学系を示す概略図である。図 5にお いて、図 1に示した実施の形態 1の撮像光学系と同一または相当部分には同一符号 を付し、その説明を省略する。新たな符号として、 8は、第 3反射鏡 3で結像した像を 像面 4に再形成するリレーレンズであり、 9は、第 3反射鏡 3で結像する位置に置かれ た視野絞りである。
[0050] 本実施の形態 3では、リレーレンズ 8と視野絞り 9を備えることによって視野外力 入 射する迷光を遮断することができ、コントラストの高い像を得ることができる。第 1反射 面 1、第 2反射面 2、第 3反射面 3と順に反射して結像する光線以外の光線 (迷光)が 像面 4に入射した場合、その光線は像の形成には機能せず、像面を全体的に明るく しコントラスト低下させる要因となる。
[0051] そこで、視野絞り 9によりこのような迷光を遮断し、リレーレンズ 8で像面 4に到達する 光線を結像に機能する光線のみに限定することで、迷光がなくコントラストの像を得る ことができる。
[0052] この実施の形態 3では、リレーレンズ 8と視野絞り 9を持った光学システムの一部とし て実施の形態 1で示した撮像光学系を組み込んだ例を示したが、同様に他の目的で 光学システムを構成するサブモジュールとして実施の形態 1の撮像光学系を組み込 んでもよい。
[0053] 例えば、望遠システムに使用される大型レンズの代わりに実施の形態 1の撮像光学 系を用いることができる。一般にレンズが大型化した場合、その重量や材料が高価な 場合には価格が問題となるが、前述の通り高分子材料を使用することができる実施 の形態 1の撮像光学系は、それと比較して軽量で安価に作成することができる。また
、反射鏡はレンズと異なり色分散が発生しない。このため、マルチスペクトル用の光学 システムにおいて多波長共有部に実施の形態 1の撮像光学系を使用することにより、 色収差により像のボケが発生しない光学系を得ることができる。
[0054] あるいは、実施の形態 1に示した撮像光学系の後段または前段に収差を補正する 機能を持つ光学素子を加えてもよい。付加した光学素子により収差の一部を補正さ せることで、撮像光学系を構成する 3枚の反射鏡が補正する必要のある収差の量が 減少し、設計が比較的容易になる。また、光学系は反射鏡の曲率や間隔などの自由 度を収差補正や光学系の小型化などの性能に配分することで設計を行う。このような 自由度やそれを割り当てたときの効果は限りがあることが、全ての性能条件を満足す る光学系を設計することが難しい理由である。
[0055] 上記のように、付加した光学素子に収差補正の機能を行わせることにより、余剰とな つた自由度を光学系の小型化など他の性能を満足させるために使用することができ る。このような、付加要素として収差補正の機能を果たす光学素子には、例えば、像 面の湾曲を補正する機能を持つフィールドフラットナーなどがある。
[0056] さらに、これまでの実施の形態では、 3枚の反射鏡で構成された撮像光学系とした 力 加えて 1枚あるいは複数枚の平面鏡を加えた構成としてもよい。平面鏡を加える ことで光路の形状を変形し、任意の形状に撮像光学系の形を変えたり、光学系に入 射する光線や光線力 射出される光線の方向を変えたりすることができる。
[0057] 例えば、光学系から像面までの距離が長い場合には、その間の光路に平面鏡を挿 入することにより、その長さを半分程度まで短くし、撮像光学系を小型化することがで きる。あるいは、入射光線と撮像光学系の間に平面鏡を挿入し、その平面鏡の傾きを 変化させることにより、撮像光学系は固定したまま任意の方向を撮像することができる 。平面鏡は結像作用にはまったく影響を与えないため、平面鏡の挿入により像ボケ が発生することはない。
産業上の利用可能性
[0058] この発明に係る撮像光学系は、光学系全体を小型化し、かつ高分解能な撮像光学 系を得ることができ、カメラなどの被写体の像を撮影する撮像装置に用いて好適であ る。

Claims

請求の範囲
[1] 入射光線の光路順で、第 1反射鏡、第 2反射鏡、及び第 3反射鏡の順に配置された
3枚の反射鏡を有し、
前記 3枚の反射鏡は、前記入射光線を遮蔽することなく配置され、
前記 3枚の反射鏡で反射された光線が結像面を形成する撮像光学系にお ヽて、 前記第 1反射鏡と前記第 3反射鏡のどちらか一方に凸面鏡を使用し、もう片方に凹 面鏡を使用し、
前記結像面の中心に結像する光線の主光線として規定される中心主光線に対して 、前記第 1反射面に入射する前記中心主光線上の適当な点と、前記第 1反射面上の 前記中心主光線の反射点と、前記第 2反射面上の前記中心主光線の反射点と、前 記第 3反射面上の前記中心主光線の反射点と、前記中心主光線の結像点とが三角 両錐の頂点を成し、
前記第 1反射面上の前記中心主光線の反射点と、前記第 2反射面上の前記中心 主光線の反射点と、前記第 3反射面上の前記中心主光線の反射点との 3点を含む 面が前記三角両錐を作る 2つの三角錐を貼り合わせた面と一致する
ことを特徴とする撮像光学系。
[2] 請求項 1に記載の撮像光学系において、
前記第 1反射鏡に凸面鏡を用い、前記第 3反射鏡に凹面鏡を用いた
ことを特徴とする撮像光学系。
[3] 請求項 1に記載の撮像光学系において、
前記 3枚の反射鏡を一体部品とした
ことを特徴とする撮像光学系。
[4] 請求項 3に記載の撮像光学系において、
前記一体部品とした撮像光学系の内部を光線が伝搬し、
前記一体部品の側面に設けられた反射面を前記反射鏡とした
ことを特徴とする撮像光学系。
[5] 請求項 1に記載の撮像光学系において、
前記 3枚の反射鏡の材料を高分子材料とした ことを特徴とする撮像光学系。
[6] 請求項 1に記載の撮像光学系において、
前記第 1反射面上の前記中心主光線の反射点と、前記第 2反射面上の前記中心 主光線の反射点と、前記第 3反射面上の前記中心主光線の反射点との 3点を含む 基準面に対して、前記第 1反射鏡に入射する前記中心主光線と前記基準面が成す 角を Θ、前記第 3反射鏡で反射した前記中心主光線と前記基準面が成す角を Θ 'と するときに、 0. 5く 0,/ 0く 2. 0を満足する
ことを特徴とする撮像光学系。
[7] 請求項 1に記載の撮像光学系において、
前記 3枚の反射鏡が撮像光学系の一部を成すサブモジュールとして組み込まれて いる
ことを特徴とする撮像光学系。
[8] 請求項 7に記載の撮像光学系において、
前記 3枚の反射鏡の像面に視野絞りを備え、
前記視野絞りの後段にリレーレンズ型の光学系を備えた
ことを特徴とする撮像光学系。
[9] 請求項 1な 、し 8の 、ずれか 1項に記載の撮像光学系にお 、て、
前記第 2反射面に開口絞りを備えた
ことを特徴とする撮像光学系。
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