(57)【要約】本発明は、表面の垂線がビームにおける入射光と角度を形成する凹面ミラー（１３１、１３４）を備える、物体（１３６）の光像を形成し、及び／又は、光源（１３０）からの光を平行光（１３７）にするためのシステムに関する。凹面ミラーと協働する負レンズ（１３２、１３３）は、画像収差が排除又は低減された画像が焦点面（１３５）において達成され、及び／又は、光源（１３０）からの出射光が平行となる（１３７）ように、入射ビーム経路、及び／又は、出射ビーム経路内に配置される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面の垂線（１０１）がビーム経路において前記入射光（１０４）と角度（９７）を形成するように配列された凹面ミラー（１００、１３１、１３４）又は同等の手段を備え、物体の光像を形成し、及び／又は、光源（１３０）からの光を光学的平行光にするためのシステムであって、
前記凹面ミラー又は同等の手段と協働する少なくとも１つのレンズ（１１２、１２４、１３２、１３３）が、前記レンズ（１１２）の両方の表面に対する垂線（１１５、１１８）が入射ビーム（１０４）の中心光線と角度（１１７）を形成するように、前記入射ビーム経路（１０４）、及び／又は、出射ビーム経路（１３７）に設けられ、
前記ミラー（１００、１３１、１３４）及び前記協働レンズ（１１２、１２４、１３２、１３３）が、前記入射ビーム（１０４、１３７）の外側の焦点面（１１６、１３０、１３５）に前記物体の画像を形成するだけでなく、前記画像における画像収差を排除又は低減するように配置され、及び／又は、前記ミラー（１３１）及び協働レンズ（１３２）が、前記画像に位置する光源（１３０）からの出射光を平行にするように配列された、
ことを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記レンズ（１１２）が負レンズであり、その焦点距離の数値が前記ミラー（１００）の等価焦点距離の数値と比較して大きいことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記凹面ミラーの表面形状が球形であることを特徴とする、前記請求項のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項４】
前記レンズが凸凹形であることを特徴とする、前記請求項のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項５】
前記レンズがプリズム形であることを特徴とする、前記請求項のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項６】
前記協働レンズ（１１２）が、前記入射ビーム（１０４）の中心光線に対して、前記ミラー（１００）の角度と反対方向の角度をもって配置されたことを特徴とする、前記請求項のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項７】
付加的な傾斜レンズ（１２４）が、前記ミラー（１００）から前記焦点面（１１６）までの前記ビーム経路内、又は前記光源から前記ミラーまでの前記ビーム経路内に配置されたことを特徴とする、前記請求項のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項８】
前記付加的なレンズ（１２４）が、２つの交差する円柱面（１２５、１２６）からなることを特徴とする、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記光源（１３０）が、光学ファイバーからなるか、又は円形、長方形或いはスリット形状の開口部からなることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
光源（１３）からの光を平行光にするためのシステムだけでなく、焦点面（１３５）における物体の光像を形成するシステムをも構成することを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
キューベット（１３６）が、光学的平行光（１３７）内に配置されたことを特徴とする、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
１つ又はそれ以上のプリズム／回折格子（１３６）が、前記平行光（１３７）内に配置されたことを特徴とする、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
前記光源（１３０）及び前記焦点面（１３５）が、前記平行ビーム（１３７）、又は、前記プリズム／回折格子における前記ビームを一旦考慮することにより得られる推測上の前記平行ビーム（１３７）に対して互いに反対側に配置されたことを特徴とする、請求項１０ないし１２のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１４】
前記光源（１３５）のスペクトルを記録するための検知器が、前記焦点面（１３０）に配置されたことを特徴とする、請求項１２ないし１３のいずれか１項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体の光像を形成し、及び／又は、光源からの光を光学的平行光にするための、凹面ミラー又は同等の手段を含むシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光像形成は、一般にレンズにおける光の回折又は屈折の活用、或いは、ミラーにおける光の反射を活用することにより達成される。
レンズは、色収差として知られる現象である、光の波長によって変化する画像を提供する。この原因は、上述の屈折が光の波長に依存すること、すなわち、物体は異なる波長において、異なる焦点面上に画像が形成されるということにある。これは、屈折特性を有する異なる光学材料の２つ又はそれ以上のレンズを、上述の物体がすべての波長でほぼ同じ焦点面上に形成されるように組み合わせることにより改善される。色消しレンズシステムとして知られるものを得るこの方法は、例えば波長４００ナノメートルから７００ナノメートルに及ぶ波長の可視領域のような、制限された波長範囲上でうまく作用する。例えばカメラの対物レンズのような、殆どのレンズシステムは、この波長範囲について最適化される。多くの適用例において、より大きな波長範囲に渡り物体の画像化ができる画像形成システムを生成することが所望されている。これらの適用例における画像形成レンズシステムは、非常に複雑となる。さらに、画像形成についての紫外線の波長範囲として知られるものを含むことが所望される場合は、多くの材料は紫外線を通さないため、利用できる光学材料の数は、大幅に減ってしまう。２００ナノメートルから１，２００ナノメートルの波長領域において色収差のない画像形成レンズシステムを実現することは、不可能ではないものの、極めて難しい。しかしながら、上述の波長範囲における画像は、とりわけ光学的分光学を含む適用例にとって相当に重要な意義を有する。
【０００３】
一方、光の反射は波長に依存しないため、凹面ミラーは色収差のない画像形成を提供する。しかしながら、この画像は入射光ビーム経路に生じる。これは、上述のビーム経路における画像の位置合わせを取り入れること、又はビーム経路の中に配置されたミラーを用いてビーム経路の外側に焦点面を得ることにより改善されてきた。両方の方法は、ビームの中心部分が遮断されることを意味する。これは、例えば天体望遠鏡のような多くの場合に適するであろう。他の場合、例えばカメラの対物レンズのような場合においては、とりわけ、物体の焦点深度を制限するという面倒な問題をもたらす。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述の欠点を緩和する１つの方法は、焦点面における画像が入射ビームの外側に生じるように、ミラーを上述のビームに向かって傾けることである。この種の光学系の一般名称は「非軸」であり、これはシステムの一部である光学構成部品が、中心光軸に対して円筒状の対称性を持たないことを意味する。これは、球面を用いて画像収差のない画像を達成するのに著しく高度の困難をもたらす。傾斜した凹面ミラーを用いる上述の場合においては、非球状又は非球面形状を有する必要があるが、これらの表面は生成するのが非常に困難であるため、相当な費用の増加を伴う。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述の欠点、すなわち、レンズシステムを用いて広い波長範囲に渡る色収差のない画像を得る問題、軸性ミラーシステムを用いて完全なビームを得る問題、及び最後に、非軸光学系を用いて画像収差を低減する問題は、好ましくは発散力の弱い、少なくとも１つのレンズを、入射ビーム経路及び／又は出射ビーム経路に配置するという点で、主に特徴づけられる本発明によって、排除される。レンズは、該レンズの両方の表面に対する垂線が上述のビーム経路における中心光線と角度を形成するように、該ビーム経路に配置され、したがって該レンズ及び上述のミラーが協働して、上述の入射ビームの外側にある焦点面に上述の物体の画像を形成するだけでなく、該画像における画像収差を排除又は低減する。或いは、上述のミラー及びレンズは、上述の画像の側に配置される光源からの出射光を平行にするように協働する。
本発明の他の特徴は、特許請求の範囲によって明らかにされている。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明は、添付の図面に示される実施形態を用いて、以下にさらに詳細に説明される。
図１Ａは、球状凹面ミラー１００を用いて焦点面上への物体の非軸画像形成を行うための、修正されていないシステムを示す。この図面の例において、凹面ミラーは１００ミリメートルの曲率半径を有する。これは、図面には示されていない離れた点にある物体からの光を入射ビーム１０４の形で受ける。凹面ミラーは、非軸方向に取り付けられるが、これはミラー表面１０７に対する垂線１０１が、ビーム１０４における中心光線１０３の該表面１０７上の接点を構成する点１０２で、該中心光線１０３と角度９７を形成することを意味する。上述の角度９７は、光線１０６が表面１０７において反射した後に近似点に収斂することになる焦点面１０５が入射ビーム１０４の外側に位置するように、十分に大きく選択されている。図示の例において、傾斜角９７は、１３．０度を有する。図１Ａは、さらに別の焦点面１０８も示されている。焦点面１０５及び１０８は、ビーム１０６の最も光線が密集する部分を限定する。
【０００７】
図１Ｂにおいて、１０９は、焦点面１０８及び１０５によって限定されたビーム経路部分の拡大図である。図面は、上述の平面１０５と１０８との間のビーム経路１０６を示す。図示の例において、上述の平面に含まれる各々の円１１０及び１１１は、２ミリメートルの直径を有する。ビーム１０６内の光線は、どの点においても明確な点に近づくものに収斂していないため、点で形成される物体の正確な画像を得ることはできないことを、この図面は明らかにしている。上述の光線の平面１０５における接点９８は、垂直に近い方向に拡がり、平面１０８における対応する接点９９は、水平に近い方向に拡がる。これらの分布が形成される原因は、非点収差として知られる幾何学的画像収差による。
さらに、光線１０６は対照的に分布しないが、一方の側に重心があることを示す。これは、コマとして知られる別の同様の画像収差によるものである。非点収差及びコマの両方の画像収差は、光軸と角度を形成する光線を用いるときに生じる。
さらに、上述の画像を広げるさらに別の画像収差は、球面収差として知られる収差であり、それはすなわち、中心光線が、周辺光線がもたらされる焦点ではなく、別の点に位置する焦点にもたらされるものである。
【０００８】
図２Ａは、図１に示した凹面ミラー１００を用いる本発明の実施形態を示す。すなわち、ミラー１００は、図２Ａにおいても、図１Ａと同じ非軸構成であり、これはミラー表面１０７に対する垂線１０１が入射ビーム１０４における中心光線１０３に対して、図１Ａにおける角度と同じ角度９７を形成することを意味する。さらに、上述の表面における反射後の出射ビーム１０６も、図２Ａに見られる。凸凹レンズ１１２が入射ビーム経路１０４に配置される。レンズの凸面１１３は物体に面している。これは、レンズの凹面がミラー１００に面していることを意味する。上述のレンズは、上述のレンズ表面の中心点を通る２つの表面１１３及び１１４のそれぞれに対する垂線１１５及び１１８の各々が、中心入射光線１０３と角度１１７を形成するように向けられている。
図２Ａに示される例において、レンズに対する２つの垂線１１５及び１１８は、１つの共通の垂線と重なる。光学システムの最適化のために一般的に利用できるソフトウエアを用いることにより、レンズの傾斜角１１７、及び、レンズ表面１１３及び１１４の曲率半径を計算することが可能になる。焦点面１１６における画像の光学収差は、上述のソフトウエアによって自由入力パラメータに対して最小化することができ、その値は、画像が最適な質を有するとき、すなわちすべての画像収差からの寄与が最小であるときの値として求めることができる。ビーム１０４の入射光における複数の波長を、上述の最適化に同時に含めることができる。図示例において、レンズの材料として石英ガラスが選択され、レンズ表面１１３及び１１４の曲率半径と、レンズの傾斜角１１７と、ミラー表面上の点１０２からの焦点面１１６の距離がそうした最適化におけるパラメータを構成するものとして、ビーム１０４における光の波長が２００ナノメートル、２５０ナノメートル、３００ナノメートル、５００ナノメートル、１，２００ナノメートルで同時に実行される場合には、表面１１３の曲率半径は９８．７ミリメートル、表面１１４の曲率半径は９０．２ミリメートル、傾斜角１１７は４５．６度、焦点面１１６と中心点１０２との間の距離は５２．６ミリメートル、という数値が得られる。
【０００９】
図２Ｂにおいて、１２２は、焦点面１１６を拡大図で示す。円１１９は、図１Ｂにおける同等の円１１０及び１１１と同じ直径２ミリメートルを有するように、この面に描かれている。表面の中心における点１２１は、ビーム１０６における光線の集合点を構成する。上述の集合点の分布は、図１Ｂの焦点面１１０及び１１１における同等の集合点９９及び９８と比較すると、本発明が提供する利点、すなわち前述された画像収差を大きく低減することを明示する。
本発明による画像は、上述のレンズ１１２をプリズム状にすること、すなわち、２つのレンズ表面に対する垂線１１５及び１１８が重ならず、代わって、２つの垂線が中心光線と角度を形成するだけでなく、互いに角度を形成できるようにすることにより、さらに改善することができる。このような手法において、この角度も上述の最適化におけるパラメータとして加えることができる。
【００１０】
図２Ｃにおいて、１２３は、焦点面１１６の別の拡大図を表す。円１１９は、この図においても再び示され、それは、上述の平面上におけるビーム１０６の光線の集合点１２０の分布であり、さらに別の可変パラメータとしてのレンズのプリズム角度による最適化の結果、生じるものである。本発明により達成される改善は、分布１２０及び１２１を比較したとき明確になる。しかしながら、多くの実用化においては、本発明による非プリズムレンズ１１２が与える画像で十分である。
【００１１】
本発明による傾斜したレンズ１１２の効果は、該レンズが、傾斜したミラー１００によって引き起こされる上述の非点収差及びコマといった画像収差を実質的に排除するものと理解することができる。さらに上述のレンズは、球面収差のような画像収差を低減することにも寄与する。最適化中に得られる焦点距離を計算した場合、波長が５００ナノメートルでは２，３７０ミリメートルの数値が得られる。したがって、レンズの強度は弱く、すなわち、ミラーの強度２０ジオプトリーと比べると、わずか０．４２ジオプトリーである。したがって、ミラーは、焦点合わせを左右することを担い、それは結果として、光の波長は反射から生じるという事実のため、すべての光の波長について同じこととなる。本発明によるレンズ１１２を用いた組み合わせは、低い屈折率でミラーの画像収差を修正し、したがって、レンズによって引き起こされる波長の影響は小さく、画像形成を著しく悪化させない。
【００１２】
本発明により得られた画像は、本発明に従って、傾斜した修正レンズをさらにミラー１００と焦点面１１６との間に取り入れることによって、一層改善することができる。図３Ａは、この実施形態を示す。中心光線１０３を有する入射ビーム１０４は、垂線１１５及び１１８を有するレンズ１１２、反射表面１０７を有する凹面ミラー１００、及び反射後の収斂出射ビーム１０６とともに、再び図３Ａに見られる。レンズ１２４が、ビーム１０６の外側で、焦点面１１６とミラー１００との間に配置されている。これは、焦点面１１６上の画像の質をさらに改善するという目的を果たす。図示される例において、レンズ表面１２５及び１２６の両方は円柱面形状を有する。ミラーに面する円柱面１２５は、該面の円柱軸が、図３Ａの定める平面に位置するように向けられている。一方、レンズ１２４の他方の面１２６は、円柱軸が図３Ａの平面に対して直角であるように向けられている。このように、２つのレンズ面１２５及び１２６の円柱軸は、互いに直角を形成する。当業者によく知られた方法において、レンズ面の曲率半径は、上述の光学システム最適化のためのソフトウエアを用いて、求めることができる。この最適化に含むことができるパラメータには、上述の面１２６及び１２５の曲率半径だけでなく、レンズ１２４の向き及びビーム１０６内におけるその位置、焦点面１０６とミラー１００との間の距離、レンズ１１２の表面１１２及び１１３の曲率半径、そして最後に該レンズの傾斜角１１７が含まれる。
【００１３】
図２Ｂ及び図２Ｃと同様の手法において、図３Ｂにおける１２７は、焦点面１１６の別の図を明示する。直径２ミリメートルの円１１９が、図３Ｂにおいて再び見られる。点１２８は、ビーム１０６における光線と焦点面１１６との集合点を再び構成する。上述の集合点の分布は、図２Ｂ及び図２Ｃに示される同等の光線の集合点１２０及び１２１の分布との比較で、本発明の図３Ａにおける実施形態を通して得られた画像の質がさらに改善されていることを示す。
【００１４】
集合点１２８の分布は、図３Ｃにおける別の図１２９で拡大して示される。これは、前述の２００ナノメートルと１，２００ナノメートルとの間の５つの異なる波長についての集合点で構成されている。集合点の合計範囲は０．０５ミリメートルであり、すべての光線についての、Ｒ．Ｍ．Ｓ値として知られる半径値は、０．０２ミリメートルである。これは、本発明に従って得られる利点、すなわち、本発明を通して、画像収差を低減又は排除した画像の達成が可能となり、図示例においては、可視領域を通る紫外線領域における２００ナノメートルから、赤外線領域、ＮＩＲの近傍における１，２００ナノメートルまでの、非常に広い波長範囲に渡って作動可能であることを示している。
【００１５】
図４は、平行光形成及び画像形成のための、本発明による装置を示している。図４において、図２Ａの凹面ミラー１００と同様の、凹面ミラー１３１が再び示されている。同様に、レンズ１３２は、図２Ａのレンズ１１２と同様である。レンズ１３２及びミラー１３１は、本発明に従って、それらが推測上の距離にある光源の平面１３０において画像を達成するように配置される。しかしながら、例えば光源のような小さな物体が上述の平面１３０に配置されている。したがって、光源１３０、ミラー１３１及びレンズ１３２からなる本発明による装置を通るビーム経路の向きは、逆になる。図２Ａに示される入射ビーム１０４は、図４では出射ビーム１３７となる。次に、出射ビーム１３７は、本発明によって、同一方向すなわち平行光となり、ビーム１３７におけるすべての光線が本質的に相互に平行となる。平行光線は、レンズ１３３、凹面ミラー１３４を通過し、最後に焦点面１３５に集められ、これら３つの部品は共に、本発明による装置を形成する。平行光線は、まるで離れた点にある物体において生じるかのように、レンズ１３３及びミラー１３４によって受けられ、したがって、焦点面１３５におけるこの物体の画像は、本発明によって、画像収差のないものとなる。光源１３０及び焦点面１３５は、共通する平行ビーム１３７の両側に置かれるように、図４において意図的に位置されている。本発明を、この手法で適用することが、最も有益であると証明することができる。
光源１３０は、光学ファイバー又は円形、長方形或いはスリット形状の開口部を備えることができる。
【００１６】
図４において１３６は、一般的に１つ又は幾つかの装置を表し、そこを平行光が通過する。図４における本発明によるそのような装置は、１３６が、周知の構成で、光を透過させる流体又はガス状標本を含む「キューベット」として知られるものを表すものとすることによって得ることができ、この場合には、焦点面１３５を通過した後の光は、透過光測定のための周知の装置に導かれる。
図４における本発明による別の装置は、１３６が、プリズム又は回折格子の群から波長を分散させるための、１つ又は幾つかの光学手段を表すものとすることによって得られる。この場合には、物体１３０は、図４には示されていない、光源からの光を通す入力開口部により構成される。この場合の図４による装置は、「分光器」としても知られる光学分光計を表す。スペクトルは、焦点面１３５において得られ、周知の方法を用いて記録することができる。
【００１７】
本発明は説明された実施形態に限定されるのではなく、後続の特許請求の範囲の範囲内で、当業者にとって自明な方法で変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】１つの傾斜した凹面ミラーを備える、物体の非軸画像形成のための周知のシステムを示す図である。
【図１Ｂ】１つの傾斜した凹面ミラーを備える、物体の非軸画像形成のための周知のシステムを示す図である。
【図２Ａ】１つの傾斜した凹面ミラー及び１つの負レンズを備える、本発明による画像形成のためのシステムを示す図である。
【図２Ｂ】１つの傾斜した凹面ミラー及び１つの負レンズを備える、本発明による画像形成のためのシステムを示す図である。
【図２Ｃ】１つの傾斜した凹面ミラー及び１つの負レンズを備える、本発明による画像形成のためのシステムを示す図である。
【図３Ａ】１つの傾斜した凹面ミラー及び２つの負レンズを備える、本発明による画像形成のためのシステムを示す図である。
【図３Ｂ】１つの傾斜した凹面ミラー及び２つの負レンズを備える、本発明による画像形成のためのシステムを示す図である。
【図３Ｃ】１つの傾斜した凹面ミラー及び２つの負レンズを備える、本発明による画像形成のためのシステムを示す図である。
【図４】視準及び画像形成のための本発明によるシステムを示す図である。
【国際公開パンフレット】
2004503811.tif 000003
2004503811.tif 000004
2004503811.tif 000005
2004503811.tif 000006
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2004503811.tif 000011
2004503811.tif 000012
2004503811.tif 000013
2004503811.tif 000014
2004503811.tif 000015
2004503811.tif 000016
【国際調査報告】
2004503811.tif 000017
2004503811.tif 000018