(57)【要約】【課題】観測視野のずれを生じることなく焦点調整を行うことが可能な反射光学系を提供する。【解決手段】本発明に係る反射光学系１０は、物体からの入射光束を周辺部で反射するとともに、中央部に開口１１ａを有して構成された凹面の第一位反射鏡１１と、第一位反射鏡１１により反射された光束を反射して第一位反射鏡１１の開口１１ａを通過させる凸面の第二位反射鏡１２と、第二位反射鏡１２により反射された光束を反射する折り返し鏡１５と、折り返し鏡１５により反射された光束を反射する凹面の第三位反射鏡１３と、第三位反射鏡１３により反射された光束を反射する第四位反射鏡１４と、第三位反射鏡１３を駆動する第一駆動装置２３と、第四位反射鏡１４を駆動する第二駆動装置２４とを備え、第三位反射鏡１３と第四位反射鏡１４とが、第一駆動装置２３と第二駆動装置２４とにより所定比率で同方向へ移動可能に構成される。【選択図】　図１
2004138962.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体からの入射光束を周辺部で反射するとともに、中央部に開口を有して構成された凹面の第一位反射鏡と、
前記第一位反射鏡の前方に配置され、前記第一位反射鏡により反射された光束を反射して前記第一位反射鏡の前記開口を通過させるとともに、反射した光束を前記開口近傍で結像させる凸面の第二位反射鏡と、
前記第二位反射鏡により反射されて前記開口近傍で結像された光束を結像の前または後で反射する折り返し鏡と、
前記折り返し鏡により反射された光束を反射するとともに、反射した光束を再結像させる凹面の第三位反射鏡と、
前記第三位反射鏡により反射された光束を反射する第四位反射鏡と、
前記第三位反射鏡を駆動する第一駆動装置と、
前記第四位反射鏡を駆動する第二駆動装置とを備え、
前記第三位反射鏡と前記第四位反射鏡とが、前記第一駆動装置と前記第二駆動装置とにより所定比率で同方向へ移動可能に構成されていることを特徴とする反射光学系。
【請求項２】
前記第三位反射鏡と前記第四位反射鏡とが、視線ずれが発生しないように移動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】
第ｎ位の反射鏡の移動量が
Δｎ＝Ｄｎ／ａｎ＝ｄｎ／ｂｎ
Ｄｎ　：　第ｎ位の反射鏡がΔｎ移動したときの焦点移動量、
ｄｎ　：　第ｎ位の反射鏡がΔｎ移動したときの視線ずれ量、
ａｎ、ｂｎ　：　１次の係数
で表わされる時、対する前記第三位反射鏡の移動量と前記第四位反射鏡の移動量との比が、次式
Δ３／Δ４　＝　（ａ４×ｂ２−ａ２×ｂ４）／（ａ２×ｂ３−ａ３×ｂ２）
を満足するように移動することを特徴とする請求項１もしくは請求項２に記載の反射光学系。
【請求項４】
前記第四位反射鏡の移動量に対する前記第三位反射鏡の移動量の比率が１倍を超え且つ５倍未満となるように設定されていることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項記載の反射光学系。
【請求項５】
前記第四位反射鏡が、前記第三位反射鏡により反射されて前記第四位反射鏡に入射する光軸と、前記第四位反射鏡により反射された光軸とを含む平面上で前記第四位反射鏡の反射面を回転させるチルト機構を有していることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一項記載の反射光学系。
【請求項６】
前記第二位反射鏡により結像された中間結像に対する前記第三位反射鏡の結像倍率が２倍を超えることを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか一項記載の反射光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一次元ＣＣＤを用いたプッシュブルーム走査方式により二次元画像を取得する地球等の観測衛星に搭載され、地表面の二次元画像を複数の観測波長域で取得するために利用される高空間分解能の反射望遠鏡の反射光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
実用に供するのに充分な画像視野が確保でき、高空間分解能が達成できる反射望遠鏡の従来例として、米国特許第４１０１１９５号明細書や、特許第２５９８５２８号公報で開示される反射望遠鏡が挙げられる。例えば、米国特許第４１０１１９５号明細書による反射望遠鏡（ＡＮＡＳＴＩＧＭＡＴＩＣ　ＴＨＲＥＥ−ＭＩＲＲＯＲ　ＴＥＬＥＳＣＯＰＥ　）は、中央部に開口を有する第一位反射鏡と、この第一位反射鏡の前方に対向して配置され、第一位反射鏡により反射された光束を反射して第一位反射鏡の開口を通過させる第二位反射鏡と、第二位反射鏡により反射された光束を反射して所定平面で結像させる第三位反射鏡とを有して構成されている。また例えば、特許第２５９８５２８号公報による反射望遠鏡（連続可変焦点全反射光学装置）は、上述の反射望遠鏡と同様に３枚の反射鏡を有して構成され、第三位反射鏡を移動させることで焦点距離が変化可能（ズーム可能）となっている。
【０００３】
そしてこれらの反射望遠鏡は、一次元ＣＣＤを用いたプッシュブルーム走査方式により二次元画像を取得する地球等の観測衛星に搭載され、地表面の二次元画像を複数の観測波長域で取得するために利用されている。このような衛星搭載用の反射望遠鏡の反射光学系においては、打ち上げ時の衝撃や軌道上での温度変動等により、光学部品の変位や反射面の変形等が生じる。そこで、これらが起因して生じる焦点位置移動の補正には、第二位反射鏡を移動させる方法や、くさびプリズムを各反射鏡間に挿入して光路長を変化させて調整する方法が用いられている。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第４１０１１９５号明細書
【特許文献２】特許第２５９８５２８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、第二位反射鏡を移動させた場合、第二位反射鏡による倍率に加えてさらに第三位反射鏡の倍率を掛けた値となるため、第二位反射鏡の移動量に対し焦点移動量が大きくなることから、第二位反射鏡の移動時において微少な駆動量を制御する必要があり精密な焦点調整は困難であった。また、第二位反射鏡が第一位反射鏡に対して相対移動することにより球面収差が発生し、性能が低下する欠点があった。さらに、第二位反射鏡もしくは第三位反射鏡のいずれかを焦点調整用に移動させると、主光線の位置が一次元ＣＣＤにおける本来の位置からずれることによる観測位置の変位、いわゆる視線ずれが生じるという問題があった。この視線ずれは一次元ＣＣＤの短手方向、つまり軌道方向に生じる。
【０００６】
一方、くさびプリズムのような屈折部材を用いる場合には、視線ずれは生じないものの、球面収差などと共に色収差が発生するため、補正用レンズが必要となる。そのため、部品点数が増加してコスト高になると共に総重量が増加し、また、温度変化に対する影響を受けやすくなるという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、衛星搭載用の高空間分解能を有する反射望遠鏡において、観測視野のずれを生じることなく焦点調整を行うことが可能な反射光学系を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような目的達成のため、請求項１に係る発明の反射光学系は、物体からの入射光束を周辺部で反射するとともに、中央部に開口を有して構成された凹面の第一位反射鏡と、第一位反射鏡の前方に配置され、第一位反射鏡により反射された光束を反射して第一位反射鏡の開口を通過させるとともに、反射した光束を開口近傍で結像させる凸面の第二位反射鏡と、第二位反射鏡により反射されて開口近傍で結像された光束を結像の前または後で反射する折り返し鏡と、折り返し鏡により反射された光束を反射するとともに、反射した光束を再結像させる凹面の第三位反射鏡と、第三位反射鏡により反射された光束を反射する第四位反射鏡と、第三位反射鏡を駆動する第一駆動装置と、第四位反射鏡を駆動する第二駆動装置とを備え、第三位反射鏡と第四位反射鏡とが、第一駆動装置と第二駆動装置とにより所定比率で同方向へ移動可能に構成されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明の反射光学系は、請求項１に記載の反射光学系において、第三位反射鏡と第四位反射鏡とが、視線ずれが発生しないように移動することを特徴とする。
【００１０】
請求項３に係る発明の反射光学系は、請求項１もしくは請求項２に記載の反射光学系において、第ｎ位の反射鏡の移動量が
Δｎ＝Ｄｎ／ａｎ＝ｄｎ／ｂｎ
Ｄｎ　：　第ｎ位の反射鏡がΔｎ移動したときの焦点移動量、
ｄｎ　：　第ｎ位の反射鏡がΔｎ移動したときの視線ずれ量、
ａｎ、ｂｎ　：　１次の係数
で表わされる時、対する第三位反射鏡の移動量と第四位反射鏡の移動量との比が、次式
Δ３／Δ４　＝　（ａ４×ｂ２−ａ２×ｂ４）／（ａ２×ｂ３−ａ３×ｂ２）
を満足するように移動することを特徴とする。
【００１１】
請求項４に係る発明の反射光学系は、請求項１から請求項３のうちいずれか一項記載の反射光学系において、第四位反射鏡の移動量に対する第三位反射鏡の移動量の比率が１倍を超え且つ５倍未満となるように設定されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に係る発明の反射光学系は、請求項１から請求項４のうちいずれか一項記載の反射光学系において、第四位反射鏡が、第三位反射鏡により反射されて第四位反射鏡に入射する光軸と、第四位反射鏡により反射された光軸とを含む平面上で第四位反射鏡の反射面を回転させるチルト機構を有していることを特徴とする。
【００１３】
請求項６に係る発明の反射光学系は、請求項１から請求項５のうちいずれか一項記載の反射光学系において、第二位反射鏡により結像された中間結像に対する第三位反射鏡の結像倍率が２倍を超えることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。図１には、本発明に係る反射光学系の概略構成を示している。この反射光学系１０は、物体からの入射光束を反射する第一位反射鏡１１と、第一位反射鏡により反射された光束を反射する第二位反射鏡１２と、第二位反射鏡により反射された光束を反射する折り返し反射鏡１５と、折り返し鏡により反射された光束を反射する第三位反射鏡１３と、第三位反射鏡１３により反射された光束を反射する第四位反射鏡１４と、第四位反射鏡１４により反射された光束が入射される一次元ＣＣＤ１６とを備えて構成される。
【００１５】
第一位反射鏡１１は、反射面（図１における第１面１）が凹面形状であり、中央部に開口１１ａを有するとともに、観測物体（図１における左方）から入射された光束を周辺部で反射するように構成される。第一位反射鏡１１で反射された光束は、第二位反射鏡１２に入射する。第二位反射鏡１２は、反射面（図１における第２面２）が凸面形状であり、第一位反射鏡１１の前方に配置されて、第一位反射鏡１１により反射された光束を反射して第一位反射鏡１１の開口１１ａを通過させるとともに、反射した光束を開口１１ａ近傍の中間結像点Ｐで結像させるように構成される。第二位反射鏡１２で反射された光束は、中間結像点Ｐの前方、又は後方に位置する折り返し反射鏡１５に入射する。
【００１６】
折り返し反射鏡１５は、反射面（図１における第３面３）が平面形状であり、第二位反射鏡１２により反射されて第一位反射鏡１１における開口１１ａ近傍の中間結像点Ｐで結像された光束を反射するように構成される。折り返し反射鏡１５で反射された光束は、第三位反射鏡１３に入射する。第三位反射鏡１３は、反射面（図１における第４面４）が凹面形状であり、折り返し反射鏡１５により反射された光束を反射するとともに、反射した光束を一次元ＣＣＤ１６において再結像させるように構成される。第三位反射鏡１３には第三位反射鏡１３を駆動する第一駆動装置２３が設けられており、この第一駆動装置２３により、第三位反射鏡１３が第三位反射鏡１３の反射面と第四位反射鏡１４の反射面との間の光軸ＯＡに沿って移動するように構成される。第三位反射鏡１３で反射された光束は、第四位反射鏡１４に入射する。
【００１７】
なお、第二位反射鏡により中間結像点Ｐで結像された中間結像に対する第三位反射鏡１３の結像倍率（横倍率）は、２倍を超えることが好ましい。ここで倍率を掛けることにより、第一位反射鏡１１と第二位反射鏡１２とによって構成されるカセグレン部の焦点距離の全体焦点距離に対する比を小さくし、カセグレン部のサイズを小さくすることができる。また、第三位反射鏡１３の必要な移動量を小さくし、焦点調整を容易にする効果がある。
【００１８】
第四位反射鏡１４は、反射面（図１における第５面５）が平面形状であり、第三位反射鏡１３により反射された光束を反射するように構成される。第四位反射鏡１４には第四位反射鏡１４を駆動する第二駆動装置２４が設けられており、この第二駆動装置２４により、第四位反射鏡１４が第三位反射鏡１３の反射面と第四位反射鏡１４の反射面との間の光軸ＯＡに沿って移動するように構成される。第四位反射鏡１４で反射された光束は、一次元ＣＣＤ１６に入射する。一次元ＣＣＤ１６には、第６および第７面６，７を有する平板状のＣＣＤカバーガラス１６ａが取り付けられており、第四位反射鏡１４により反射された光束が、このＣＣＤカバーガラス１６ａを通過して一次元ＣＣＤ１６に入射するように構成される。
【００１９】
そして、第四位反射鏡１４で反射されて一次元ＣＣＤ１６に入射した光束が、第三位反射鏡１３により一次元ＣＣＤ１６で再結像されることで、観測物体の像が一次元ＣＣＤ１６において結像される。これから分かるように、折り返し反射鏡１５、第三位反射鏡１３および第四位反射鏡１４によって、一次元ＣＣＤ１６を所望の位置に配置することが可能となるため、反射光学系の全体の大きさを小さくすることができる。
【００２０】
なおこのとき、第四位反射鏡１４が、第三位反射鏡１３により反射されて第四位反射鏡１４に入射する光軸ＯＡと、第四位反射鏡１４により反射された光軸ＯＡとを含む平面上で第四位反射鏡１４の反射面を回転させるチルト機構（図示せず）を有していることが好ましい。このようにすれば、主光線の位置が一次元ＣＣＤ１６における本来の位置からずれることによる観測位置の変位、いわゆる視線ずれの中で、焦点調整に付随して起きる軌道方向の視線ずれを補正することができる。
【００２１】
このとき、第三位反射鏡１３により反射されて第四位反射鏡１４に入射する光軸ＯＡと、第四位反射鏡１４により反射された光軸ＯＡとを含む平面に垂直な平面内で第四位反射鏡１４の反射面を回転させるチルト機構（図示せず）を有していれば、反射鏡の移動時の光軸からのぶれによって生じる一次元ＣＣＤ１６の軌道方向以外の視線ずれの補正も可能であり、さらに望ましい。
【００２２】
以上のようにして観測物体の像が一次元ＣＣＤ１６で結像される反射光学系１０において、視線ずれを生じることなく焦点調整を行うため、第三位反射鏡１３と第四位反射鏡１４とが、第一駆動装置２３と第二駆動装置２４とにより所定比率で同方向へ移動可能に構成されている。これらの駆動装置は一体型とし、第三位反射鏡１３と第四位反射鏡１４の駆動量にカム比を持たせ、一定比率で駆動させる構成であっても良い。この場合は、動力源を一つで賄える利点がある。なお、第三位反射鏡１３と第四位反射鏡１４との移動方向は、第三位反射鏡１３の反射面と第四位反射鏡１４の反射面との間の光軸ＯＡに沿って同方向に向けられている。このときの第四位反射鏡１４の移動量Δ４に対する第三位反射鏡１３の移動量Δ３の比率（すなわちΔ３／Δ４）は、５＞Δ３／Δ４＞１を満足している。このことにより、第三位反射鏡１３の移動量Δ３に対し、第四位反射鏡１４の移動量Δ４が小さくなりすぎず適切な制御が可能になる。
【００２３】
ここで、上記構成の反射光学系１０の設計例を表１に示す。この表１において、記号ｒはレンズ面の曲率半径、ｄはレンズ面間隔を示す。なお面番号は物体からの光の進路に沿った順序を示し、ｉ面（ｉ＝１，２，・・・，７）の曲率半径をｒｉとし、ｉ面と（ｉ＋１）面との間の光軸ＯＡ上の距離をｄｉとしている。ここで、第１面（第一位反射鏡１１の反射面）１および第２面（第二位反射鏡１２の反射面）２が非球面形状に形成されるが、この非球面形状は以下の式（１）で表現される。
【００２４】
【表１】
2004138962.tif 000003
【００２５】
【数１】
Ｚ＝ｃｈ２／［１＋｛１−（１＋κ）ｃ２ｈ２｝１／２］＋Ａｈ４＋Ｂｈ６＋Ｃｈ８・・・（１）
Ｚ；　光軸方向のサグ量
ｈ；　光軸から軸直角方向への寸法
ｃ；　面の頂点での曲率（１／ｒ）
κ；　円錐係数
Ａ，Ｂ，Ｃ；　４次、６次、８次の係数
【００２６】
次に、上記構成の反射光学系１０における各反射鏡が（光軸ＯＡに沿って）移動した場合の焦点移動および視線ずれの量を図２〜図４に示す。ここで、図２は第二位反射鏡１２が移動した場合の焦点移動および視線ずれの量を表す図、図３は第三位反射鏡１３が移動した場合の焦点移動および視線ずれの量を表す図、そして図４は第四位反射鏡１４が移動した場合の焦点移動および視線ずれの量を表す図である。なお、各反射鏡の移動方向における正負の関係を図１に示す。
【００２７】
図２〜図４から分かるように、各反射鏡が（光軸ＯＡに沿って）移動した場合の焦点移動および視線ずれの量は、どの場合においても線形の関係が見られるものの、焦点移動の方向と視線ずれの方向との組み合わせは各反射鏡によって異なる。このため、第三位反射鏡１３と第四位反射鏡１４とを所定比率で同方向へ移動させることにより、焦点移動補正時の視線ずれを抑えることが可能となる。そこで、第三位反射鏡１３と第四位反射鏡１４とを視線ずれが発生しないように移動させることにより、観測視野のずれを生じることなく焦点調整を行うことができる。
【００２８】
さて、第ｎ位反射鏡（ｎ＝２，３，４）の移動量Δｎに対する焦点移動量Ｄｎおよび視線ずれ量ｄｎを近似式で表すと、以下の式（２）〜式（７）の通りになる。
【００２９】
【数２】
Ｄ２＝ａ×Δ２　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（２）
ａ２；　１次の係数
【００３０】
【数３】
ｄ２＝ｂ２×Δ２　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（３）
ｂ２；　１次の係数
【００３１】
【数４】
Ｄ３＝ａ３×Δ３　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（４）
ａ３；　１次の係数
【００３２】
【数５】
ｄ３＝ｂ３×Δ３　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（５）
ｂ３；　１次の係数
【００３３】
【数６】
Ｄ４＝ａ４×Δ４　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（６）
ａ４；　１次の係数
【００３４】
【数７】
ｄ４＝ｂ４×Δ４　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（７）
ｂ４；　１次の係数
【００３５】
ここで、例として、第二位反射鏡１２が光軸ＯＡ方向に変動を起こした場合の補正について述べる。第二位反射鏡１２が光軸ＯＡ方向に変動を起こした場合、すなわちΔ２（Ｄ２およびｄ２）が生じた場合には、第三位反射鏡１３と第四位反射鏡１４とを移動させて、Ｄ２とｄ２とが０になるように補正すればよい。すなわち、以下の式（８）および式（９）になるようにすればよい。
【００３６】
【数８】
Ｄ２＝Ｄ３＋Ｄ４　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（８）
【００３７】
【数９】
ｄ２＝ｄ３＋ｄ４　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（９）
【００３８】
式（８）および式（９）に加え、式（２）〜式（７）を連立させて解くと、以下の式（１０）および式（１１）が得られる。
【００３９】
【数１０】
Δ３＝｛（ａ２×ｂ４−ａ４×ｂ２）／（ａ３×ｂ４−ａ４×ｂ３）｝Δ２・・（１０）
【００４０】
【数１１】
Δ４＝｛（ａ２×ｂ３−ａ３×ｂ２）／（ａ４×ｂ３−ａ３×ｂ４）｝Δ２・・（１１）
【００４１】
式（１０）および式（１１）から、Δ４に対するΔ３の比率（すなわちΔ３／Δ４）を求めると、以下の式（１２）が得られる。
【００４２】
【数１２】
Δ３／Δ４＝（ａ４×ｂ２−ａ２×ｂ４）／（ａ２×ｂ３−ａ３×ｂ２）・・・（１２）
【００４３】
これにより、式（１２）を満足するように第三位反射鏡１３と第四位反射鏡１４とを移動させることによって、第二位反射鏡１２が光軸ＯＡ方向に変動を起こした場合に生じる焦点移動と視線ずれとの同時補正が可能になる。
【００４４】
ここで、本実施例（設計例）におけるΔ４に対するΔ３の比率を求めると、図２〜図４より、ａ２＝−１３５、ａ３＝５、ａ４＝−２、ｂ２＝１８、ｂ３＝−０．５、そしてｂ４＝−０．３３であるため、式（１２）にそれぞれ代入すると、Δ３／Δ４＝３．５８となる。したがって、本実施例（設計例）において焦点移動と視線ずれとの同時補正を行うためには、第四位反射鏡１４の移動量Δ４が第三位反射鏡１３の移動量Δ３の約１／３となる。第二位反射鏡１２の変動量（移動量Δ２）を±０．０１ｍｍとすると、式（１０）および式（１１）より、Δ３＝±０．３０４ｍｍ、Δ４＝±０．０８５ｍｍとなり、第三位反射鏡１３と第四位反射鏡１４とをこの量だけ光軸ＯＡに沿って移動させることにより、第二位反射鏡１２が光軸ＯＡ方向に変動を起こした場合に生じる焦点移動と視線ずれとを同時に補正することができる。このときの反射光学系全体での焦点距離変動量は１％以下であり、全体性能に及ぼす影響を抑えた補正が行われている。
【００４５】
この結果、第三位反射鏡１３と第四位反射鏡１４とが、所定比率で同方向へ移動可能に構成されているため、焦点移動と視線ずれとを同時に補正することができ、焦点移動補正時の視線ずれを抑えることが可能となることから、観測視野のずれを生じることなく焦点調整を行うことができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第三位反射鏡と第四位反射鏡とが、所定比率で同方向へ移動可能に構成されているため、焦点移動補正時の視線ずれを抑えることが可能となることから、観測視野のずれを生じることなく焦点調整を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る反射光学系の構成を示す概略図である。
【図２】第二位反射鏡の移動量に対する反射光学系の焦点移動および視線ずれの変化を示す図である。
【図３】第三位反射鏡の移動量に対する反射光学系の焦点移動および視線ずれの変化を示す図である。
【図４】第四位反射鏡の移動量に対する反射光学系の焦点移動および視線ずれの変化を示す図である。
【符号の説明】
１０　反射光学系
１１　第一位反射鏡（１１ａ　開口）
１２　第二位反射鏡
１３　第三位反射鏡
１４　第四位反射鏡
１５　折り返し反射鏡
１６　一次元ＣＣＤ（１６ａ　ＣＣＤカバーガラス）
２３　第一駆動装置
２４　第二駆動装置
ＯＡ　光軸
Ｐ　中間結像点
【図１】
2004138962.tif 000004
【図２】
2004138962.tif 000005
【図３】
2004138962.tif 000006
【図４】
2004138962.tif 000007