(57)【要約】【課題】グレゴリー型の反射光学系で、光学系の小型化を維持すると共に像面湾曲を補正することができる反射光学系およびこれを用いた天体観測装置を提供する。【解決手段】凹面の主鏡および凹面の副鏡を備える望遠鏡部と、前記望遠鏡部の光軸に対して傾いて配置される少なくとも１枚の凹面鏡および前記望遠鏡部の光軸に対して傾いて配置され、収斂光束が入射する少なくとも１枚の凸面鏡を含み、前記望遠鏡からの光束を受光するコリメータ部と、を有することを特徴とする。【選択図】図１
2014174212.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹面の主鏡および凹面の副鏡を備える望遠鏡部と、
前記望遠鏡部の光軸に対して傾いて配置される少なくとも１枚の凹面鏡および前記望遠鏡部の光軸に対して傾いて配置され、収斂光束が入射する少なくとも１枚の凸面鏡を含み、前記望遠鏡からの光束を受光するコリメータ部と、
を有することを特徴とする反射光学系。
【請求項２】
前記凸面鏡は、前記コリメータ部の反射鏡群の最後方位置に設けられ、前記収斂光束を平行光束として反射することを特徴とする請求項１に記載の反射光学系。
【請求項３】
前記コリメータ部は、光路に沿って、順に第１の反射鏡としての凹面鏡、第２の反射鏡としての凹面鏡、第３の反射鏡としての凹面鏡、前記収斂光束が入射する第４の反射鏡としての凸面鏡から構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の反射光学系。
【請求項４】
前記コリメータ部における光束は、前記第１の反射鏡から前記第３の反射鏡の間で交差する一方、前記第２の反射鏡から前記第４の反射鏡の間で交差しないことを特徴とする請求項３に記載の反射光学系。
【請求項５】
前記コリメータ部は、光路に沿って、順に第１の反射鏡としての凸面鏡、第２の反射鏡としての凹面鏡、前記収斂光束が入射する第３の反射鏡としての凸面鏡から構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の反射光学系。
【請求項６】
前記コリメータ部における光束は、前記第１の反射鏡から前記第３の反射鏡の間で交差しないことを特徴とする請求項５に記載の反射光学系。
【請求項７】
前記コリメータ部における光束は、前記第１の反射鏡から前記第３の反射鏡の間で交差することを特徴とする請求項５に記載の反射光学系。
【請求項８】
前記コリメータ部における反射鏡は、全て非球面形状であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の反射光学系。
【請求項９】
前記望遠鏡部および前記コリメータ部の反射鏡に関するペッツバール和の絶対値は、前記望遠鏡部の反射鏡に関するペッツバール和の絶対値より小さいことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の反射光学系。
【請求項１０】
前記コリメータ部における反射鏡は、
収差関数をツェルニケ（Ｚｅｒｎｉｋｅ）の多項式に展開したときの５次、８次、１１次の形状成分を有する非球面を備える反射鏡と、
互いに直交する２つの座標軸に関してのみ対称な曲面形状を持つ反射鏡と、
を有することを特徴とする請求項９に記載の反射光学系。
【請求項１１】
前記コリメータ部における反射鏡は、光路に沿って、順に第１の反射鏡としての凹面鏡、第２の反射鏡としての凹面鏡、第３の反射鏡としての凹面鏡、前記収斂光束が入射する第４の反射鏡としての凸面鏡から構成され、
前記第１の反射鏡、前記第２の反射鏡は、互いに直交する２つの座標軸に関してのみ対称な曲面形状を持つ反射鏡である一方、
前記第３の反射鏡、前記第４の反射鏡は、収差関数をツェルニケ（Ｚｅｒｎｉｋｅ）の多項式に展開したときの５次、８次、１１次の形状成分を有する非球面を備える反射鏡であることを特徴とする請求項１０に記載の反射光学系。
【請求項１２】
前記コリメータ部における反射鏡は、光路に沿って、順に第１の反射鏡としての凸面鏡、第２の反射鏡としての凹面鏡、前記収斂光束が入射する第３の反射鏡としての凸面鏡から構成され、
各反射鏡が、収差関数をツェルニケ（Ｚｅｒｎｉｋｅ）の多項式に展開したときの５次、８次、１１次の形状成分を有する非球面を備える反射鏡であることを特徴とする請求項９に記載の反射光学系。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の反射光学系を有することを特徴とする天体観測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工衛星などに搭載されて広い波長範囲で天体を観測するための高分解能な反射光学系およびこれを用いた天体観測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
天体観測に用いられる望遠鏡は、口径が大きいほど分解能と集光力が高くなるため、高い観測性能を求める場合には大口径の望遠鏡が必要となる。しかしながら、口径が１ｍ程度を越えると、レンズ材料として高品質なレンズを製造することが困難になるため、大口径の望遠鏡では反射鏡のみを用いる反射望遠鏡が主流となっている。また、天体の分光観測では、紫外から赤外まで広い波長範囲の光を観測する必要があり、レンズのガラス材料では紫外線の透過率が極端に低下してしまうため、この理由からも反射望遠鏡が必要となる。
【０００３】
一方で、地上からロケットなどで打ち上げる人工衛星搭載用の観測機器では、サイズと重量が大きくなると開発費用や運用費用が巨額となるため、できるだけ小型で軽量にすることが望ましい。このため、望遠鏡部として凹面の主鏡と凸面の副鏡で光束を折り返すカセグレン型（リッチークレチアン型も含む）の反射望遠鏡は、高倍率すなわち大きな焦点距離でも全長が短くできるため、人工衛星に搭載する光学系としても広く用いられる。
【０００４】
また、望遠鏡部として凹面の主鏡の焦点で一度像を形成した後に凹面の副鏡を置くグレゴリー型の反射望遠鏡は、中間像位置に絞りや排熱鏡を置いて不要光や熱赤外波長の光を逃がすことができるため太陽観測によく用いられる。
【０００５】
一般にカセグレン型やグレゴリー型などの反射望遠鏡は、色収差が無いという長所がある一方で、視野角を大きくすると像面湾曲、更にはコマ収差や非点収差などの大きな軸外収差が発生するという短所がある。
【０００６】
従来、カセグレン型として特許文献１に開示されている反射光学系では、３枚の反射鏡を組み合わせることにより、像面湾曲を無くし、広い視野角に渡って優れた結像性能を実現することが知られている。ここで、特許文献１に開示されている反射光学系をベースとして、有効径φ４００ｍｍ、焦点距離４８００ｍｍの条件で設計した反射光学系を比較例１（カセグレン型の望遠鏡部を含む全体として３枚鏡式の反射光学系）として図１０に示す。
【０００７】
図１０に示す反射光学系では、副鏡が強い凸面鏡のＭ２０であるため、他の２枚の弱い凹面鏡Ｍ１０、Ｍ３０とのペッツバール和をほぼ打ち消すことにより像面湾曲を無くし、１．５度角の視野範囲内で回折限界の高い被写体分解能を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第４１０１１９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ここで、天体の画像を撮影するだけでなく分光観測などを行う場合、反射望遠鏡の焦点面の後方にはさらに分光器などの後続の観測装置が配置されるため、望遠鏡部と観測装置との間にコリメータ部が必要となる。そして、広い波長範囲で観測を行うためには、このコリメータ部も反射鏡だけで構成する必要が生じる。望遠鏡部がグレゴリー型の反射光学系で、コリメータ部も反射鏡だけで構成する反射型コリメータの最も単純な構成としては、図１１に比較例２として示すように、凹面の主鏡Ｍ１１、凹面の副鏡Ｍ２１に１枚の凹放物面鏡Ｍ３１を使う方法が考えられる。
【００１０】
焦点を共有する２枚の放物面鏡は、コマ収差と非点収差を打ち消し合うという特性から、コリメータ部側の放物面鏡の焦点距離を適切に選択すれば、像面湾曲以外の収差を良好に補正することが可能になる。しかし、望遠鏡部がグレゴリー型の反射光学系では、ペッツバール和を打ち消せないために像面湾曲が残り、これを補正する必要があるが、光学系の小型化を維持しながら補正することが望ましい。
【００１１】
本発明の目的は、グレゴリー型の反射光学系で、光学系の小型化を維持すると共に像面湾曲を補正することができる反射光学系およびこれを用いた天体観測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明に係る反射光学系は、凹面の主鏡および凹面の副鏡を備える望遠鏡部と、前記望遠鏡部の光軸に対して傾いて配置される少なくとも１枚の凹面鏡および前記望遠鏡部の光軸に対して傾いて配置され、収斂光束が入射する少なくとも１枚の凸面鏡を含み、前記望遠鏡からの光束を受光するコリメータ部と、を有することを特徴とする。
【００１３】
（作用）
反射光学系の小型化のために、凹面を含むコリメータ部の反射鏡群の各反射鏡を望遠鏡部の光軸に対して斜めに設け、かつ、像面湾曲を補正するためにコリメータ部の反射鏡に凸面鏡を設けると共に、この凸面鏡の位置を収斂した入射光束位置として小型化を図る。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、グレゴリー型の反射光学系で、光学系の小型化を維持すると共に像面湾曲を補正することができる反射光学系およびこれを用いた天体観測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る反射光学系の光学配置図である。
【図２】第１の実施形態に係る反射光学系のコリメータ部の拡大図である。
【図３】第１の実施形態に係る反射光学系の波面収差図である。
【図４】第１の実施形態に係る反射光学系のスポット図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る反射光学系の光学配置図である。
【図６】第２の実施形態に係る反射光学系のコリメータ部の拡大図である。
【図７】第２の実施形態に係る反射光学系の波面収差図である。
【図８】第２の実施形態に係る反射光学系のスポット図である。
【図９】第３の実施形態に係る反射光学系のコリメータ部の拡大図である。
【図１０】比較例１（カセグレン型の望遠鏡部を含む全体として３枚鏡式の反射光学系）の光学配置図である。
【図１１】比較例２（グレゴリー型の望遠鏡部を含む反射光学系）の光学配置図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
【００１７】
《第１の実施形態》
（天体観測装置）
人工衛星に搭載されて地球周回軌道上あるいは天体周回軌道上などに配置される天体観測装置としては、以下に説明する反射光学系およびその後続の観測装置から構成される。
【００１８】
(反射光学系)
１）望遠鏡部とコリメータ部
図１は、本発明の第１の実施形態に係る反射光学系の光学配置図である。図１において、１００は反射光学系、１０１は望遠鏡部、１０２は望遠鏡部から出射した光束を受光する反射型のコリメータ部を示す。また、Ｍ１は望遠鏡部の主鏡、Ｍ２は望遠鏡部の副鏡を示す。図２は、コリメータ部の拡大図である。図２において、光路に沿って順に設けられる第１の反射鏡Ｍ３、第２の反射鏡Ｍ４、第３の反射鏡Ｍ５、第４の反射鏡Ｍ６は、コリメータ部を構成する反射鏡群としての４枚の反射鏡である。ここで、Ｍ６は、被写体像位置(焦点面Ｆ１位置)からの光路に沿って最後方位置に設けられ、収斂光束を平行光束として反射する。
【００１９】
反射光学系１００は、不図示の人工衛星に搭載されて地球周回軌道上あるいは天体周回軌道上などに配置される。被写体である地球表面あるいは天体からやってきた観測光は、中央部に穴の空いた凹面の主鏡Ｍ１で反射された後、凹面の副鏡Ｍ２で反射され、望遠鏡部の焦点面Ｆ１（被写体像位置）に被写体像を形成する。さらに観測光は、反射光学系の小型化を指向して望遠鏡部１０１の光軸に対して夫々傾けて配置された４枚の反射鏡(光路に沿って順にＭ３、Ｍ４、Ｍ５、Ｍ６）で反射されて、ＥＸＰの位置に射出瞳を形成する。コリメータ部１０２から射出した平行光束は、後続の観測装置（不図示）に導かれる。
【００２０】
望遠鏡部の主鏡Ｍ１は凹形状で回転放物面に近い回転双曲面、望遠鏡部の副鏡Ｍ２は凹形状の回転楕円面であり、Ｍ１とＭ２でグレゴリー型の望遠鏡部（反射望遠鏡）を構成している。望遠鏡部の焦点面Ｆ１には、いったん被写体像が形成されるが、必ずしも望遠鏡部だけで良好に収差が補正されているわけではない。コリメータ部を構成する第１反射鏡Ｍ３と、第２反射鏡Ｍ４と、第３反射鏡Ｍ５と、第４反射鏡Ｍ６は、すべて望遠鏡部の光軸に対して傾いて配置されており、傾き角度は各反射鏡への主光線の入射方向に対して２２．５度である。
【００２１】
（小型化を指向すると共に像面湾曲を補正するための凸面鏡Ｍ６）
このような配置にすることによって、反射型のコリメータ部をコンパクトにすることができる。コリメータ部を構成する４枚の反射鏡のうち、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５は、実質的に凹面鏡として機能し、Ｍ６は実質的に凸面鏡として機能する。ここで、Ｍ３、Ｍ４は、夫々凹面鏡として反射光束の広がりを抑えることで反射鏡Ｍ４、Ｍ５の小型化に寄与している。
【００２２】
更に、凹面鏡Ｍ５により凸面鏡Ｍ６に収斂光束を入射させることにより、凸面鏡Ｍ６の小型化（反射領域サイズを小さくする）を図る。かつ、Ｍ１〜Ｍ５が全て凹面鏡であることから値が大きくなったＭ１〜Ｍ５のペッツバール和をキャンセルする凸面鏡Ｍ６の焦点距離を短くすることで、光路方向の小型化が可能となる。なお、凸面鏡に、収斂光束でなく逆に発散光束を入射させる構成とした場合、凸面鏡の焦点距離を短くすると光束はさらに発散し、反射光学系が大型化してしまうため小型化できない。
【００２３】
よって、このような構成とすることで、コンパクトでありながら、グレゴリー型の望遠鏡部のＭ１、Ｍ２、及び、コリメータ部のＭ３、Ｍ４、Ｍ５の凹面鏡のペッツバール和をキャンセルさせ、像面湾曲を良好に補正することができる。
【００２４】
（非点収差を補正するバイコニック（ＢｉＣｏｎｉｃ）非球面のＭ３とＭ４）
さらに、コリメータ部を構成する４枚の反射鏡の夫々は、回転対称ではない形状の非球面としている。このうちＭ３とＭ４は、互いに直交する２つの座標軸に関してのみ対称な曲面形状を持つ非球面であり、より具体的には、２つの座標軸に対して異なる曲率と円錐係数を有するＢｉＣｏｎｉｃ非球面である。入射光束に対して傾けて配置されているＭ３とＭ４においては、反射面にあたる光束のフットプリントすなわち有効使用領域が楕円に近い形状となる。そのため、反射鏡の面形状が回転対称だと入射光束に与える波面位相変化はむしろ非対称になってしまう。
【００２５】
従って、略楕円型の入射光束に合わせて反射鏡の面形状も長軸方向と短軸方向で差をつけた方が合理的であり、各反射面での収差発生を小さく抑えられるためＢｉＣｏｎｉｃ形状としている。具体的には、長軸方向で曲率を緩くする一方、短軸方向で曲率を強くする。このようにして、以下に示すツェルニケ（Ｚｅｒｎｉｋｅ）非球面よりも複雑でない（簡単な）形状のＢｉＣｏｎｉｃ非球面のＭ３とＭ４で、非点収差を補正することができる。
【００２６】
（コマ収差などを補正するツェルニケ（Ｚｅｒｎｉｋｅ）非球面のＭ５とＭ６）
一方、Ｍ５とＭ６は、収差関数をツェルニケ（Ｚｅｒｎｉｋｅ）の多項式に展開したときの５次、８次、１１次の形状成分を有する非球面、即ち以下の直交関数で表されるＺｅｒｎｉｋｅ５〜Ｚｅｒｎｉｋｅ３６の形状成分を有する非球面である。ここで、光軸方向にｚ軸、光軸と垂直方向にｈ軸、光の進行方向を正とし、Ｒを近軸曲率半径、ｋを円錐係数、Ｚｅｒｎｉｋｅｊをｊ番目のＺｅｒｎｉｋｅ多項式、ＣｊをＺｅｒｎｉｋｅｊの係数とする。
【００２７】
【数１】
2014174212.tif 000003
【００２８】
Zernike5   = a^2*cos(2θ)
Zernike6   = a^2*sin(2θ)
Zernike7   = (3*a^3-2*a)*cosθ
Zernike8   = (3*a^3-2*a)*sinθ
Zernike9   = 6*a^4-6*a^2+1
Zernike10  = a^3*cos(3θ)
Zernike11  = a^3*sin(3θ)
Zernike12  = (4*a^4-3*a^2)*cos(2θ)
Zernike13  = (4*a^4-3*a^2)*sin(2θ)
Zernike14  = (10*a^5-12*a^3+3*a)*cosθ
Zernike15  = (10*a^5-12*a^3+3*a)*sinθ
Zernike16  = 20*a^6-30*a^4+12*a^2-1
Zernike17  = a^4*cos(4θ)
Zernike18  = a^4*sin(4θ)
Zernike19  = (5*a^5-4*a^3)*cos(3θ)
Zernike20  = (5*a^5-4*a^3)*sin(3θ)
Zernike21  = (15*a^6-20*a^4+6*a^2)*cos(2θ)
Zernike22  = (15*a^6-20*a^4+6*a^2)*sin(2θ)
Zernike23  = (35*a^7-60*a^5+30*a^3-4*a)*cosθ
Zernike24  = (35*a^7-60*a^5+30*a^3-4*a)*sinθ
Zernike25  = 70*a^8-140*a^6+90*a^4-20*a^2+1
Zernike26  = a^5*cos(5θ)
Zernike27  = a^5*sin(5θ)
Zernike28  = (6*a^6-5*a^4)*cos(4θ)
Zernike29  = (6*a^6-5*a^4)*sin(4θ)
Zernike30  = (21*a^7-30*a^5+10*a^3)*cos(3θ)
Zernike31  = (21*a^7-30*a^5+10*a^3)*sin(3θ)
Zernike32  = (56*a^8-105*a^6+60*a^4-10*a^2)*cos(2θ)
Zernike33  = (56*a^8-105*a^6+60*a^4-10*a^2)*sin(2θ)
Zernike34  = (126*a^9-280*a^7+210*a^5-60*a^3+5*a)*cosθ
Zernike35  = (126*a^9-280*a^7+210*a^5-60*a^3+5*a)*sinθ
Zernike36  = 252*a^10-630a^8+560*a^6-210*a^4+30*a^2-1
【００２９】
ただし、ａは反射鏡の中心からの距離、θはコリメータ部の各反射鏡の反射面内における方位角を表す。望遠鏡部の光軸をＺ軸、コリメータ部の各反射鏡がＺ軸に対して傾けられる際の回転軸をＸ軸（図２の紙面垂直方向）、各反射鏡の反射面においてＸ軸と直交する方向をＹ軸（図２の反射面設置方向）としたとき、θはＸ軸を基準とした方位角とする。θの符号は反射面の裏側から光線入射側を見た時に反時計まわりの方位を正とする。
【００３０】
これらの直交関数の和として表される多項式は、一般にＦｒｉｎｇｅ  Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式と呼ばれ、光学素子の面形状誤差や波面誤差の成分表現に使用されている。上記式のＺｅｒｎｉｋｅ５項とＺｅｒｎｉｋｅ６項は所謂アス形状、Ｚｅｒｎｉｋｅ７項とＺｅｒｎｉｋｅ８項はコマ形状、Ｚｅｒｎｉｋｅ９項は球面収差形状、Ｚｅｒｎｉｋｅ１０項とＺｅｒｎｉｋｅ１１項はトライフォイル形状の面形状誤差を表している。Ｍ５とＭ６の面形状に含まれるＺｅｒｎｉｋｅ５項成分は、Ｍ３やＭ４のＢｉＣｏｎｉｃ形状と同様に、傾けて配置したことによる略楕円型の入射光束の影響を補正する働きを持つ。
【００３１】
また、Ｍ５とＭ６のＺｅｒｎｉｋｅ８項成分とＺｅｒｎｉｋｅ１１項成分は、Ｍ３とＭ４で十分に補正しきれなかったコマやトライフォイルなどの非対称な波面誤差を補正しうる形状となっている。Ｍ５とＭ６はＺｅｒｎｉｋｅ１２項以上のさらに高い次数の形状成分も付加しており、高次の非対称な波面収差を補正している。
【００３２】
（数値データ）
次に、表１に本実施形態の数値データを示す。表中、Ｒは近軸曲率半径、ｄは面間隔を表す。なお、表１で面間隔は観測物体からの光線の入射方向をＺ軸正方向とするとき、＋Ｚ方向へ向かう場合の間隔を正としている。ミラーで１回反射した後は光線が−Ｚ方向に進むため面間隔の符号も反転する。曲率半径Ｒの符号については、−Ｚ側に曲率中心がある場合に、符号としてマイナスを付与している。
【００３３】
αは望遠鏡部とコリメータ部を組合せた場合の角倍率、ＦＮＯは望遠鏡部のＦナンバー、を表す。光学設計上の被写体距離は無限遠としてあり、絞り面は第１面である。本実施形態の反射光学系からはコリメートされた直径φ６０ｍｍの平行光束が射出される。表１から分かるように、本実施形態のＭ１からＭ６の反射鏡のペッツバール和の絶対値は望遠鏡部のペッツバール和の絶対値よりも小さくなっており、反射光学系全体として像面湾曲を良好に補正している。
【００３４】
本実施形態の反射光学系１００は６面の非球面を有する。このうちＭ１とＭ２の非球面形状は回転対称であり、光軸方向にｚ軸、光軸と垂直方向にｈ軸、光の進行方向を正とし、Ｒを近軸曲率半径、ｋを円錐係数、Ａ〜Ｃを４次〜８次の非球面係数としたとき、以下の式で表される。
【００３５】
【数２】
2014174212.tif 000004
【００３６】
Ｍ３とＭ４の非球面形状は前述のようにＢｉＣｏｎｉｃ形状であり、Ｘ軸方向の曲率半径をＲｘ、Ｘ軸方向の円錐係数をｋｘ、Ｙ軸方向の曲率半径をＲｙ、Ｙ軸方向の円錐係数をｋｙ、としたとき、ミラー面の高さｚは、以下の式で表される。
【００３７】
【数３】
2014174212.tif 000005
【００３８】
本実施形態の反射光学系は、主鏡Ｍ１の有効径がφ１５０４ｍｍ、望遠鏡部の光学的全長が３１００ｍｍという巨大なものであるが、コリメータ部をコンパクトに配置しつつ高い結像性能を実現している。図３と図４は、本実施形態の反射光学系の結像特性を示す図である。結像特性の評価は、射出瞳位置ＥＸＰに焦点距離６００ｍｍの理想レンズを置いて結像させた場合の特性を計算している。
【００３９】
本実施形態では、コリメータ部に収斂光束が入射する凸面鏡を含む構成としているため、反射光学系の小型化を維持しつつ、全てのミラーのペッツバール和を良好に補正することにより、像面湾曲も十分に小さく補正されている。従って本実施形態では、理想レンズで結像させた後の評価像面は平面となっている。
【００４０】
図３は各画角における波面収差図であり、横軸が瞳面上での相対座標を、縦軸が波面収差を示している。また、図３のＹ−ＦＡＮ、Ｘ−ＦＡＮは、夫々瞳面上のＹ断面、Ｘ断面を示している。波面収差は良好に抑えられており、全画角の最大値で２０ｍλＲＭＳ以下に抑えられている。
【００４１】
図４は各画角におけるスポット図であり、評価像面上での光線の集光度合いを示している。図４に描かれている円は回折によるエアリーディスクの大きさを示している。図３と図４から、本実施形態の反射光学系は、像面湾曲も含めて全画角に渡って余裕を持って回折限界性能を実現していることが分かる。この余裕は製造時の許容誤差バジェットを十分確保するために重要である。
【００４２】
[表１]
角倍率α = -25.0   FNO = 8.5   全画角 = 0.0556°× 0.0556°
面番号    曲率半径Ｒ            面間隔ｄ    材質    有効径
1 (ENP)      ∞    （絞り）    3100.0000     ---    1500.0
2 (M1)   -4629.3400（非球面） -2800.0000   MIRROR   1504.2
3 (M2)     821.0326（非球面）  2660.0000   MIRROR    314.2
4 (F1)    ∞ （望遠鏡部焦点）   740.1072     ---      22.4
5 (M3)   -4979.0268（非球面）  -155.2914   MIRROR    127.0
6 (M4)    3127.0264（非球面）   310.2914   MIRROR    136.6
7 (M5)    -560.0186（非球面）  -155.0000   MIRROR    136.2
8 (M6)    -433.5512（非球面）   200.0000   MIRROR     72.6
9 (EXP)      ∞    （射出瞳）      ---       ---      60.0
（非球面）
面        k           A (４次)       B（６次）       C（８次）
2     -1.04364       0.00000        0.00000         0.00000
面        ｋ          A (４次)       B（６次）       C（８次）
3     -0.32275       0.00000        0.00000         0.00000
面        Ry          Rx             ky              kx
5     -4979.0268    -9837.3910     +2.00000       -2.00000
面        Ry          Rx             ky              kx
6      3127.0264     3255.5606     +2.00000        -2.00000
面     Norm Radius    k    
7       74.0000      -29.71824
Zernike5      Zernike6      Zernike7        Zernike8
-8.2263E-1     0.0000E+0     0.0000E+0      +4.3477E-2
Zernike9      Zernike10     Zernike11       Zernike12
-7.7124E-2     0.0000E+0    +1.6198E-2      -1.2702E-3
Zernike13     Zernike14     Zernike15       Zernike16
0.0000E+0     0.0000E+0    +1.7677E-4      +4.5231E-3
Zernike17     Zernike18     Zernike19       Zernike20
+4.4747E-5     0.0000E+0     0.0000E+0      +6.5197E-5
Zernike21     Zernike22     Zernike23       Zernike24
+5.0395E-5     0.0000E+0     0.0000E+0      +1.2979E-5
Zernike25     Zernike26     Zernike27       Zernike28
-3.5253E-4     0.0000E+0    +9.9597E-6      -8.8245E-6
Zernike29     Zernike30     Zernike31       Zernike32
0.0000E+0     0.0000E+0    -1.4190E-6      +1.4760E-5
Zernike33     Zernike34     Zernike35       Zernike36
0.0000E+0     0.0000E+0    -5.2627E-8      +2.6136E-5
面     Norm Radius    k    
8       45.0000      +50.71566
Zernike5      Zernike6      Zernike7        Zernike8
-5.8613E-1     0.0000E+0     0.0000E+0      +2.9504E-2
Zernike9      Zernike10     Zernike11       Zernike12
+8.4901E-2     0.0000E+0    +1.9379E-2      -2.2827E-3
Zernike13     Zernike14     Zernike15       Zernike16
0.0000E+0     0.0000E+0    +3.3217E-4      +1.0455E-2
Zernike17     Zernike18     Zernike19       Zernike20
+1.6422E-4     0.0000E+0     0.0000E+0      +1.8436E-4
Zernike21     Zernike22     Zernike23       Zernike24
+8.6349E-5     0.0000E+0     0.0000E+0      +3.2054E-5
Zernike25     Zernike26     Zernike27       Zernike28
+1.1294E-3     0.0000E+0    +3.3286E-5      +9.0585E-6
Zernike29     Zernike30     Zernike31       Zernike32
0.0000E+0     0.0000E+0    +5.2225E-6      -1.0014E-5
Zernike33     Zernike34     Zernike35       Zernike36
0.0000E+0     0.0000E+0    +4.2315E-6      +8.9775E-5
（ペッツバール和）
面        1/f       
2      0.000432  
3      0.002436 
5      0.000402 
6      0.000640 
7      0.003188 
8     -0.005411 
総和    0.001686 
【００４３】
《第２の実施形態》
図５は、本発明の第２の実施形態に係る反射光学系の光学配置図、図６は反射光学系のコリメータ部の拡大図である。第１の実施形態と異なるのは、コリメータ部の構成であり、コリメータ部を構成する反射鏡群として光路に沿って順に第１の反射鏡Ｍ３’、第２の反射鏡Ｍ４’、第３の反射鏡Ｍ５’が設けられる。ここで、Ｍ５’は、被写体像位置からの光路に沿って最後方位置に設けられ、収斂光束を平行光束として反射する。なお、望遠鏡部の構成は、第１の実施形態と同じであり、凹面の主鏡Ｍ１で反射された後、凹面の副鏡Ｍ２で反射され、望遠鏡部の焦点面Ｆ１に被写体像を形成する。
【００４４】
反射光学系１００は、不図示の人工衛星に搭載されて地球周回軌道上あるいは天体周回軌道上などに配置される。被写体である地球表面あるいは天体からやってきた観測光は中央部に穴の空いた凹面の主鏡Ｍ１で反射された後、凹面の副鏡Ｍ２で反射され、望遠鏡部の焦点面Ｆ１で被写体像を形成する。さらに観測光は、望遠鏡部１０１の光軸に対して夫々傾けて配置された３枚の反射鏡（光路に沿って順にＭ３’、Ｍ４’、Ｍ５’）で反射されて、ＥＸＰの位置に射出瞳を形成する。具体的な傾き角度は各反射鏡への主光線の入射方向に対して、Ｍ３’は４５度、Ｍ４’とＭ５’は２２．５度である。
【００４５】
コリメータ部１０２から射出した平行光束は、不図示の観測装置に導かれる。このような配置によって、反射型のコリメータ部をコンパクトにすることができる。コリメータ部を構成する３枚の反射鏡のうち、Ｍ３’とＭ５’は凸面鏡として機能し、Ｍ４’は凹面鏡として機能する。ここで、Ｍ５’に収斂光束を入射させることにより、光束の発散を抑えて凸面鏡の反射鏡サイズを小さくしつつ、Ｍ５’の凸面鏡の焦点距離を短くすることができる。逆に、凸面鏡Ｍ５’に発散光束を入射させる構成とした場合、凸面鏡Ｍ５’の焦点距離を短くすると光束はさらに発散し、光学系が大型化するため好ましくない。
【００４６】
なお、本実施形態では、さらに、Ｍ３’も凸面鏡（但し、入射光束は発散光束）とする。そして、グレゴリー型の望遠鏡部のＭ１、Ｍ２、及び、コリメータ部のＭ４’の凹面鏡のペッツバール和を、凸面鏡のＭ３’とＭ５’でキャンセルさせ、像面湾曲を良好に補正する。
【００４７】
ここで、本実施形態では、Ｍ３’、Ｍ４’、Ｍ５’の反射鏡の位置、及び、傾き角度は、Ｍ５’から反射された光束が、被写体像Ｆ１からＭ３’へ入射する光束、及び、Ｍ３’から反射されてＭ４’の入射する光束のいずれとも交差しないように配置している。このような構成とすることで、コンパクトでありながら、入射光束に対する反射鏡の傾きによるコマ収差などの諸収差を良好に補正することができる。
【００４８】
Ｍ３’、Ｍ４’、Ｍ５’は前述の数１で表されるＺｅｒｎｉｋｅ５〜Ｚｅｒｎｉｋｅ３６の形状成分を有する非球面である。Ｍ３’、Ｍ４’、Ｍ５’の面形状に含まれるＺｅｒｎｉｋｅ５項成分は、傾けて配置したことによる略楕円型の入射光束の影響を補正する働きを持つ。入射光束に対して傾けて配置されているＭ３’、Ｍ４’、Ｍ５’においては、反射面にあたる光束のフットプリントすなわち有効使用領域が楕円に近い形状となる。そのため、反射鏡の面形状が回転対称だと入射光束に与える波面位相変化はむしろ非対称になってしまう。
【００４９】
従って、略楕円型の入射光束に合わせて反射鏡の面形状も長軸方向と短軸方向で差をつけた方が合理的であり、Ｚｅｒｎｉｋｅ５項成分で各反射面での収差発生を小さく抑えられる。また、Ｍ３’、Ｍ４’、Ｍ５’のＺｅｒｎｉｋｅ８項成分とＺｅｒｎｉｋｅ１１項成分は、コマやトライフォイルなどの非対称な波面誤差を補正しうる形状となっている。さらに、Ｍ３’、Ｍ４’、Ｍ５’はＺｅｒｎｉｋｅ１２項以上の高い次数の形状成分も付加しており、高次の非対称な波面収差を補正している。
【００５０】
（数値データ）
次に、表２に実施形態２の数値データを示す。表中、Ｒは近軸曲率半径、ｄは面間隔を表す。また、αは望遠鏡部とコリメータ部を組合せた場合の角倍率、ＦＮＯは望遠鏡部のＦナンバー、を表す。光学設計上の被写体距離は無限遠としてあり、絞り面は第１面である。本実施形態の反射光学系からは、コリメートされた直径φ５１ｍｍの平行光束が射出される。表２から分かるように、本実施形態のＭ１からＭ５’の反射鏡のペッツバール和の絶対値は望遠鏡部のペッツバール和の絶対値よりも小さくなっており、反射光学系全体として像面湾曲を良好に補正している。
【００５１】
本実施形態の反射光学系１００は５面の非球面を有する。このうちＭ１とＭ２の非球面形状は回転対称であり、前述の数式２で表わしている。そして、本実施形態の反射光学系は主鏡Ｍ１の有効径がφ１５０４ｍｍ、望遠鏡部の光学的全長が３２１５ｍｍという巨大なものであるが、コリメータ部をコンパクトに配置しつつ高い結像性能を実現している。図７と図８は、本実施形態の反射光学系の結像特性を示す図である。結像特性の評価は射出瞳位置ＥＸＰに焦点距離６００ｍｍの理想レンズを置いて結像させた場合の特性を計算している。
【００５２】
本実施形態では、コリメータ部に収斂光束が入射する凸面鏡を含む構成としているため、反射光学系の小型化を維持しつつ、全てのミラーのペッツバール和を良好に補正することにより、像面湾曲も十分に小さく補正されている。従って本実施形態では、理想レンズで結像させた後の評価像面は平面となっている。
【００５３】
図７は各画角における波面収差図であり、横軸が瞳面上での相対座標を、縦軸が波面収差を示している。また、図７のＹ−ＦＡＮ、Ｘ−ＦＡＮは、夫々瞳面上のＹ断面、Ｘ断面を示している。波面収差は良好に抑えられており、全画角の最大値で２５ｍλＲＭＳ以下に抑えられている。
【００５４】
図８は各画角におけるスポット図であり、評価像面上での光線の集光度合いを示している。図８に描かれている円は回折によるエアリーディスクの大きさを示している。図７と図８から、本実施形態の反射光学系は像面湾曲も含めて全画角に渡って余裕を持って回折限界性能を実現していることが分かる。この余裕は、製造時の許容誤差バジェットを十分確保するために重要である。
【００５５】
[表２]
角倍率α = -30.0   FNO = 9.3   全画角 = 0.0556°× 0.0556°
面番号    曲率半径Ｒ            面間隔ｄ    材質    有効径
1 (ENP)      ∞    （絞り）    3100.0000     ---    1500.0
2 (M1)   -4629.3400（非球面） -2800.0000   MIRROR   1504.0
3 (M2)     831.9089（非球面）  2915.0000   MIRROR    340.0
4 (F1)    ∞ （望遠鏡部焦点）   484.5310     ---      19.4
5 (M3’)    1192.9651（非球面）  -180.6018   MIRROR    106.2
6 (M4’)     383.8961（非球面）   150.0000   MIRROR    134.4
7 (M5’)     385.9047（非球面）  -350.0000   MIRROR     70.2
8 (EXP)      ∞    （射出瞳）      ---       ---      51.2
（非球面）
面        k           A (４次)       B（６次）       C（８次）
2     -0.93916       0.00000        0.00000         0.00000
面        ｋ          A (４次)       B（６次）       C（８次）
3     -0.70545       0.00000        0.00000         0.00000
面     Norm Radius    k    
5       70.0000       0.00000
Zernike5      Zernike6      Zernike7        Zernike8
+2.9644E-1     0.0000E+0     0.0000E+0      +5.2264E-2
Zernike9      Zernike10     Zernike11       Zernike12
-7.1542E-2     0.0000E+0    +5.2984E-2      -1.5356E-2
Zernike13     Zernike14     Zernike15       Zernike16
0.0000E+0     0.0000E+0    +6.2995E-2      -3.4761E-2
Zernike17     Zernike18     Zernike19       Zernike20
-3.9447E-3     0.0000E+0     0.0000E+0      +1.5670E-2
Zernike21     Zernike22     Zernike23       Zernike24
-2.7114E-3     0.0000E+0     0.0000E+0      +2.0581E-2
Zernike25     Zernike26     Zernike27       Zernike28
-8.5721E-3     0.0000E+0    +6.2997E-3      -7.7682E-4
Zernike29     Zernike30     Zernike31       Zernike32
0.0000E+0     0.0000E+0    +2.0960E-3      +7.8404E-4
Zernike33     Zernike34     Zernike35       Zernike36
0.0000E+0     0.0000E+0    +2.9796E-3      -1.0603E-3
面     Norm Radius    k    
6       72.0000       0.00000
Zernike5      Zernike6      Zernike7        Zernike8
+1.9124E-1     0.0000E+0     0.0000E+0      +5.8510E-2
Zernike9      Zernike10     Zernike11       Zernike12
-2.9190E-3     0.0000E+0    +2.2980E-2      -1.4598E-3
Zernike13     Zernike14     Zernike15       Zernike16
0.0000E+0     0.0000E+0    +5.5319E-3      -1.7985E-3
Zernike17     Zernike18     Zernike19       Zernike20
-1.0105E-3     0.0000E+0     0.0000E+0      +1.0770E-3
Zernike21     Zernike22     Zernike23       Zernike24
-3.7761E-4     0.0000E+0     0.0000E+0      +1.8397E-3
Zernike25     Zernike26     Zernike27       Zernike28
-4.3065E-4     0.0000E+0    +1.0126E-3      +1.7810E-4
Zernike29     Zernike30     Zernike31       Zernike32
0.0000E+0     0.0000E+0    -6.9099E-5      +1.2496E-4
Zernike33     Zernike34     Zernike35       Zernike36
0.0000E+0     0.0000E+0    +3.3435E-4      -8.5453E-5
面     Norm Radius    k    
7       45.0000       0.00000
Zernike5      Zernike6      Zernike7        Zernike8
-2.1305E-2     0.0000E+0     0.0000E+0      +8.0916E-2
Zernike9      Zernike10     Zernike11       Zernike12
-1.1823E-2     0.0000E+0    +1.4811E-2      -1.0815E-3
Zernike13     Zernike14     Zernike15       Zernike16
0.0000E+0     0.0000E+0    +1.1972E-2      -2.9268E-3
Zernike17     Zernike18     Zernike19       Zernike20
-1.8397E-4     0.0000E+0     0.0000E+0      -5.1886E-4
Zernike21     Zernike22     Zernike23       Zernike24
+6.1501E-4     0.0000E+0     0.0000E+0      +4.3254E-3
Zernike25     Zernike26     Zernike27       Zernike28
-7.1016E-4     0.0000E+0    +7.9701E-4      +3.6509E-4
Zernike29     Zernike30     Zernike31       Zernike32
0.0000E+0     0.0000E+0    -3.6849E-4      +2.8757E-4
Zernike33     Zernike34     Zernike35       Zernike36
0.0000E+0     0.0000E+0    +7.1530E-4      -1.1917E-4
（ペッツバール和）
面        1/f       
2      0.000432  
3      0.002404 
5     -0.001800 
6      0.005211 
7     -0.005274
総和    0.000973
【００５６】
《第３の実施形態》
第２の実施形態では、Ｍ５’から反射された光束が、被写体像Ｆ１からＭ３へ入射する光束、及び、Ｍ３’から反射されてＭ４’の入射する光束のいずれとも交差しないように構成していた。本実施形態では、図９に示すように、Ｍ５’’から反射された光束が、被写体像Ｆ１からＭ３’’へ入射する光束、及び、Ｍ３’’から反射されてＭ４’’に入射する光束光束が交差するような構成とした。
【００５７】
さらに、図９では、第２の実施形態とは異なりＭ３’’を凹面鏡としているが、コリメータ部に収斂光束が入射する凸面鏡（図９ではＭ５’’）が含まれていれば、その他の反射鏡の形状は変更してもよい。ただし、被写体像位置（焦点面Ｆ１位置）からの発散光束を平行光として射出するため、コリメータ部の少なくとも１枚は凹面鏡である必要がある。
【００５８】
（変形例）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことは言うまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形、及び、変更が可能である。
【００５９】
まず、前述したいずれの実施形態においても、反射鏡にはＺｅｒｎｉｋｅ３６項までの形状成分を付加している。しかし、もちろん、Ｚｅｒｎｉｋｅ１１項以下などの低い次数の形状成分に留めてもよいし、逆に、Ｚｅｒｎｉｋｅ３７項以上のさらに高い次数の形状成分を付加してもよい。また、前述したいずれの実施形態においても、Ｙ軸に非対称な形状成分をもつＺｅｒｎｉｋｅ項は付加していない。しかし、それらの項を自由度として付加し、例えば、望遠鏡部の製造誤差によるＹ軸非対称な収差などを補正してもよい。
【符号の説明】
【００６０】
１０１・・望遠鏡部、１０２・・コリメータ部、Ｍ１・・望遠鏡部の主鏡、Ｍ２・・望遠鏡部の副鏡、Ｍ３〜Ｍ６・・反射鏡（コリメータ部）、Ｆ１・・望遠鏡部の焦点面位置（被写体像位置）
【図１】
2014174212.tif 000006
【図２】
2014174212.tif 000007
【図３】
2014174212.tif 000008
【図４】
2014174212.tif 000009
【図５】
2014174212.tif 000010
【図６】
2014174212.tif 000011
【図７】
2014174212.tif 000012
【図８】
2014174212.tif 000013
【図９】
2014174212.tif 000014
【図１０】
2014174212.tif 000015
【図１１】
2014174212.tif 000016