JP2008298866A - 撮像光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】非点収差を低減して結像性能を向上させ、明るくかつ広角な撮像光学系を得る。
【解決手段】入射光線の光路順で、第１反射鏡１、第２反射鏡２、及び第３反射鏡３の順に配置された３枚の反射鏡を有し、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、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、第１反射鏡への入射中心主光線と第１反射鏡での反射中心主光線とを含む平面を平面Ａとし、第２反射面への入射中心主光線と第２反射面での反射中心主光線とを含む平面を平面Ｂとし、第３反射面への入射中心主光線と第３反射面での反射中心主光線とを含む平面を平面Ｃとするとき、平面Ａと平面Ｃとが一致しない構造であり、平面Ａと平面Ｂとの成す角をν１とし、平面Ｃと前記平面Ｂとの成す角をν２とするとき、角度の差Δν＝｜ν１−ν２｜が４５°以下である。
【選択図】図１

Description

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最適な光学系に関するものである。

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。

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っ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。

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、いわゆる色消しを行わなければならない。

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いため、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い光学系を容易に得ることができる。

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く、ケラレが起こると入射光線の光量が減少するため明るい光学系や広角な光学系が得られない。

ケラレを避けるには、例えば反射鏡に光線を斜めから入射させることで反射光線を入射光線と重ならないように設定するなどの方法が用いられる。

従来の反射型の撮像光学系では、反射鏡を偏心させて配置することで各反射鏡への光線入射を斜め入射とし、ケラレの発生しない構造にしている。また、３枚の反射鏡が共通の対称面を持つ面対称な構造で、光学系の内部で中心主光線が２回以上で交差するとともに中間結像点を持つことで小型化を実現している。光学系が面対称であることは、非面対称な特性を持つ収差が発生しないため、収差抑制の効果がある。各反射鏡は対称面上で偏心し、各鏡への中心主光線の入射角は８．５度以上になるよう設定されている。光学系の画角は対称面上の方向でおよそ１２度である（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−５０７４号公報

しかしながら、上述のような従来の反射型の撮像光学系においては、偏心の方向が一面上に限られた面対称構造であるため、反射鏡の配置自由度に制約があった。その結果、明るい光学系や広角な光学系を設計する上でそれが限界となっていた。例えば、特許文献１による反射光学系では、入射光線が第２反射鏡と第３反射鏡、あるいは第２反射鏡と像面に挟まれており、ケラレを発生することなくこれ以上の広角化や大口径化を行うことはできない。

一方、光学系の構造を非面対称としたときには反射鏡の配置自由度が増加し、ケラレの発生しない方向に反射鏡などを移動することで明るい光学系や広角な光学系の設計が可能となる。例えば、特許文献１による反射光学系では、入射光線を対称面から傾いた光線を用いることでケラレを発生することなく広角化や大口径化を行うことができる。しかし、光学系を非面対称な構造とすることで非面対称な特性を持つ収差が新たに発生するため、実用的な結像性能を持った光学系を得るにはこの収差を抑制することが必要となる。

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、非点収差を低減して結像性能を向上させ、明るくかつ広角な撮像光学系を得ることを目的とする。

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反射鏡への入射中心主光線と前記第１反射鏡での反射中心主光線とを含む平面を平面Ａとし、前記第２反射面への入射中心主光線と前記第２反射面での反射中心主光線とを含む平面を平面Ｂとし、前記第３反射面への入射中心主光線と前記第３反射面での反射中心主光線とを含む平面を平面Ｃとするとき、前記平面Ａと前記平面Ｃとが一致しない構造であり、前記平面Ａと前記平面Ｂとの成す角をν１とし、前記平面Ｃと前記平面Ｂとの成す角をν２とするとき、角度の差Δν＝｜ν１−ν２｜が４５°以下であることを特徴とする。

この発明によれば、非点収差を低減して結像性能を向上させ、明るくかつ広角な撮像光学系を得ることができる。

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の光路を示した中心主光線である。

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、中心主光線５が単一平面上にはない。図２に、各反射鏡に入射する中心主光線と各反射鏡で反射する中心主光線とが作る各平面の関係を示す。図２において、光学系に入射する中心主光線５と第１反射鏡１で反射した中心主光線５とが作る平面を平面Ａとし、第２反射鏡２に入射し、反射する中心主光線５が作る平面を平面Ｂとし、第３反射鏡３に入射し、反射する中心主光線５が作る平面を平面Ｃとする。また、中心主光線５の第１反射鏡１に入射する光線部分を５ａ、第２反射鏡２に入射する光線部分を５ｂ、第３反射鏡３に入射する光線部分を５ｃ、結像面４に入射する光線部分を５ｄとする。

３枚の反射鏡は平面Ｂ上にあるが、光学系に入射する中心主光線５ａは平面Ａ上にない。つまり、面対称構造をした光学系のように入射光線が反射鏡の間に位置していないため、入射光線が広がってもケラレは発生しにくい。このため、本実施の形態１により光学系の大口径化や広角化が可能となる。

本実施の形態１によれば、光学系から結像面４に入射する中心主光線５ｄも平面Ｂ上にはない。したがって、結像面４に入射する光線が広がってもケラレが発生しにくいため、光学系の大口径化や広角化が可能となる。

対称面を持たない構造の光学系は、非面対称な収差が発生する。非面対称な収差のなかで支配的な収差は光学系の瞳面上での方向により焦点位置が変わる収差である。これは、共軸光学系における非点収差の発現作用と類似している。反射鏡に斜入射した光線は対応する焦点面近傍に集光するが、収差を考慮すると瞳面上での直交する方向、いわゆるラジアル方向とタンジェンシャル方向により異なる焦点面で集光すると近似できる。収差を抑制した光学系を得るためには、このラジアル方向とタンジェンシャル方向の各反射鏡での焦点面の違いが互いに相殺され、最終的に２方向の焦点面がほぼ一致することが条件となる。

２つの方向の焦点面の違いが互いに相殺されるためには、各反射鏡における焦点面のラジアル方向とタンジェンシャル方向がほぼ一致している必要がある。これは、平面Ｂに対する平面Ａの傾きと、平面Ｂに対する平面Ｃの傾きの差を抑制することで満足することができる。

平面Ａと平面Ｂの成す角をν１、平面Ｃと平面Ｂの成す角をν２とし、その角度の差をΔν＝｜ν１−ν２｜とおく。図３に非面対称構造の反射光学系の設計サンプルについて、傾き角の差Δνに対する結像性能を評価した結果（点像スポット径／（光学系焦点距離・視野角））を示す。結像性能は、像面における点像のｒｍｓスポット直径の平均値を光学系の焦点距離と視野角で正規化した量で表した。この評価値が小さいほど像のボケは小さく、結像性能の高い光学系が得られる。図３より、例えば結像性能をこの評価値において、０．０００１以下とすると規定すれば、角度差Δνを４５度以下に設定すればいいことが分かる。

また、本実施の形態１において、第２反射鏡２に入射光線の光束径を制限する開口絞りをおくことにより、光学系をコンパクトにすることができる。光学系の内部での光線の広がりは絞りを中心として拡大する。したがって、第１反射鏡１近傍に絞りを配置したときには第３反射鏡３が、第３反射鏡３近傍に絞りを配置したときには第１反射鏡１が大きくなり、光学系は大型となる。

したがって、ほぼ光学系の中間位置にある第２反射鏡２に絞りを配置することで、他の反射鏡の大型化を抑制し、コンパクトな光学系を得ることができる。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。

また、本実施の形態１において、三枚の反射鏡の一部もしくは全てが回転対称軸を持たない自由曲面形状であってもよい。本実施の形態１の光学系は非回転対称な構造をしている。上記平面Ａ，Ｂ，Ｃに対する条件により非回転対称性に起因する非点収差に類似した収差は抑制することができるが、使用条件によってはさらに高次の収差を低減する必要のある場合がある。このとき、反射鏡の形状として自由曲面形状を用いることで、高次収差として現れる非回転対称な収差を容易に低減することができる。

また、上記の実施の形態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成形加工することで、高精度な反射鏡を量産性高く作成することができる。金型の作成には切削・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。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。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く、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やメッキすることで、十分な反射率を得ることができる。

また、上記の実施の形態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化を行うことができる。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やメッ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。

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および図２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。

図４において、光学系に入射する中心主光線５ａと結像面４に入射する中心主光線５ｄは、第１反射鏡１から第３反射鏡３までを伝搬する中心主光線５ｂおよび５ｃが作る平面に対して同じ方向にオフセットしている。この結果、面対称構造をした光学系のように入射光線が反射鏡の間に位置していないため、入射光線が広がってもケラレは発生しにくい。また、結像面４に入射する光線も反射鏡の間に位置していないため、入射光線が広がってもケラレは発生しにくい。したがって、本実施の形態２により、実施の形態１と同様に光学系の大口径化や広角化が可能となる。

対称面を持たない構造の光学系は、非面対称な収差が発生する。非面対称な収差のなかで支配的な収差は、実施の形態１と同様に、光学系の瞳面上での方向により焦点位置が変わる収差である。したがって、収差を抑制した光学系を得るためには、このラジアル方向とタンジェンシャル方向の各反射鏡での焦点面の違いが互いに相殺され、最終的に２方向の焦点面がほぼ一致すればいい。

２つの方向の焦点面の違いが互いに相殺されるためには、各反射鏡における焦点面のラジアル方向とタンジェンシャル方向がほぼ一致している必要がある。図５に、図２と同じく中心主光線５が作る平面を示す。本実施の形態２で、非点収差に類似した非回転対称収差を抑制するには、平面Ｂに対する平面Ａの傾きと、平面Ｂに対する平面Ｃの傾きの差を小さくする必要がある。本実施の形態２における角度差Δνに対しても、図３で示した結像性能と角度差Δνの関係は適用できる。

したがって、例えば結像面４における点像のｒｍｓスポット直径の平均値を光学系の焦点距離と視野角で正規化した評価値を０．０００１以下とするには、平面Ａと平面Ｂの成す角をν１、平面Ｃと平面Ｂの成す角をν２とし、その角度の差をΔν＝｜ν１−ν２｜とおくとき、角度差Δνを４５度以下に設定すればいい。

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に示す各反射鏡に入射する中心主光線と各反射鏡で反射する中心主光線とが作る各平面の関係を示す図である。 非面対称構造の反射光学系の設計サンプルについて、傾き角の差Δνに対する結像性能を評価した結果（点像スポット径／（光学系焦点距離・視野角））を示す図である。 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に示す各反射鏡に入射する中心主光線と各反射鏡で反射する中心主光線とが作る各平面の関係を示す図である。

符号の説明

１ 第１反射鏡、２ 第２反射鏡、３ 第３反射鏡、４ 結像面、５ 中心主光線、Ａ 第１反射鏡への入射中心主光線と第１反射鏡での反射中心主光線とを含む平面、Ｂ 第２反射面への入射中心主光線と第２反射面での反射中心主光線とを含む平面、Ｃ 第３反射面への入射中心主光線と第３反射面での反射中心主光線とを含む平面、ν１ 平面Ａと平面Ｂとの成す角、ν２ 平面Ｃと平面Ｂとの成す角。

Claims (5)

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反射鏡への入射中心主光線と前記第１反射鏡での反射中心主光線とを含む平面を平面Ａとし、
   前記第２反射面への入射中心主光線と前記第２反射面での反射中心主光線とを含む平面を平面Ｂとし、
   前記第３反射面への入射中心主光線と前記第３反射面での反射中心主光線とを含む平面を平面Ｃとするとき、
   前記平面Ａと前記平面Ｃとが一致しない構造であり、
   前記平面Ａと前記平面Ｂとの成す角をν１とし、前記平面Ｃと前記平面Ｂとの成す角をν２とするとき、角度の差Δν＝｜ν１−ν２｜が４５°以下である
   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２反射鏡は、入射光線の光束径を制限する開口絞りを有する
   ことを特徴とする撮像光学系。
3. 請求項１または２に記載の撮像光学系において、
   前記第１反射鏡、前記第２反射鏡、前記第３反射鏡のいずれかまたは全てが回転対称軸を持たない自由曲面形状である
   ことを特徴とする撮像光学系。
4. 請求項１から３までのいずれか１項に記載の撮像光学系において、
   前記３枚の反射鏡を成形加工により製造した
   ことを特徴とする撮像光学系。
5. 請求項４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。

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