(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光束を反射する、中央部に開口を有する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、第一位反射鏡の中央開口を通過させるとともに前記開口近傍で中間結像させる凸面の第二位反射鏡と、前記第二位反射鏡で結像された光束を略等倍で再結像させる凹面の第三位反射鏡とを有する反射光学系において、前記第三位反射鏡の入射と出射の各光路中の光軸上に、前記第三位反射鏡に関して略折り返し対称に、平行平面板と、分光プリズムからなる分光光学部とをそれぞれ配置し、前記第三位反射鏡の入射と出射の共通光路中にメニスカスレンズを配置したことを特徴とするマルチスペクトル分光反射光学系。
【請求項２】
上記メニスカスレンズを、上記平行平面板及び分光光学部と同一の硝材で構成したことを特徴とする請求項１記載のマルチスペクトル分光反射光学系。
【請求項３】
上記メニスカスレンズを、負のレンズとしたことを特徴とする請求項１又は２記載のマルチスペクトル分光反射光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、一次元の電子走査と、それに直交した方向への衛星移動を併用して二次元画像を取得するプッシュブルーム走査方式によ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マルチスペクトル分光反射光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
欧米等では、地上分解能が数十ｃｍという高空間分解能の光学センサーが開発され、偵察衛星として運用されている。しかしこれらの多くは観測波長域が広帯域の、いわゆるパンクロマチックバンドであったため、地上の分光反射特性を観測することはできなかった。地上の分光反射特性を観測するためには分光光学部を内蔵させなければならないが、分光光学部を内蔵しつつ、実用的な画像視野が確保でき、高空間分解能かつコンパクトな反射望遠鏡の設計は容易にはなしえなかった。実用的な画像視野が確保でき、高空間分解能を達成できる反射望遠鏡の代表的な従来例としては図６に示される軸外し３枚鏡、図７に示されるシュミット反射屈折望遠鏡、さらに図８に示す、ＵＳＰ４，１０１，１９５“ＡＮＡＳＴＩＧＭＡＴＩＣ  ＴＨＲＥＥ−ＭＩＲＲＯＲ  ＴＥＬＥＳＣＯＰＥ”で開示されたＮＡＳＡの３枚鏡が挙げられる。
【０００３】
図６に示された従来例を説明する。図において、１は第一位反射鏡、２は第二位反射鏡、３は第三位反射鏡、４は一次元ＣＣＤ、５は平行光束、６は光軸である。第一位反射鏡１から入射した平行光束５は、第二位反射鏡２、第三位反射鏡３と順次反射され一次元ＣＣＤ４で像を結ぶ。そして一次元ＣＣＤ４は素子並びが紙面に垂直になるように設置されている。この軸外し３枚鏡では、およそ１０゜から２０゜の視野角が得られるが、全長は、狭い視野で焦点距離の２／３、広い視野では焦点距離と同程度の長さとなっていた。例えば画素サイズ１０μｍの検出器を用いて軌道高度７００ｋｍで２ｍの空間分解能を達成する場合には、焦点距離ｆは、画素サイズをｐ、軌道高度をＨ、地上分解能をｄとすると“数１”を用いて求められ、３．５ｍとなる。
【０００４】
【数１】
0003752787.tif 000002
【０００５】
これより全長は最大で３．５ｍとなっていた。さらに軸外しであるため、非対称な画面上の像の幾何学的歪みも発生していた。
【０００６】
また図７の従来例において、４は一次元ＣＣＤ、５は平行光束、６は光軸、７はシュミット補正板、８は平面反射鏡、９は主鏡、１０は補正レンズ、１１は開口であり、シュミット補正板７から入射した平行光束５は、順次、平面反射鏡８、主鏡９で反射され、平面反射鏡８の中央に穿たれた開口１１を通って、補正レンズ１０に入り、一次元ＣＣＤ４で像を結ぶ。一次元ＣＣＤ４は、素子並びが紙面に垂直になるよう設置されている。このシュミット反射屈折望遠鏡では、約５゜の視野角が得られている。しかし全長は焦点距離程度の長さとなるため、軸外し３枚鏡と同じように大型化していた。さらにシュミット補正板７のように屈折部材があるため重量が大きくなる問題があった。
【０００７】
さらに図８に従来例において、１は第一位反射鏡、２は第二位反射鏡、３は第三位反射鏡、４は一次元ＣＣＤ、５は平行光束、６は光軸、１１は開口、１２は中間結像点、１３は折り曲げミラーであり、第一位反射鏡１から入射した平行光束５は、順次、第二位反射鏡２、第三位反射鏡３で反射され一次元ＣＣＤ４で像を結ぶ。図中の、折り曲げミラー１３はあってもなくてもこの発明の目的に影響はない。一次元ＣＣＤ４は、素子並びが紙面に垂直になるよう設置されている。軸外し３枚鏡と異なる点は、第二位反射鏡２の後の中間結像点１２で一度中間結像し、それを第三位反射鏡３で再結像している点である。このため光軸に対し平行に入射した平行光束５では、中間結像点１２と再結像点が重なってしまい、実際上、一次元ＣＣＤ４が配置できなくなるため、入射光には僅かに傾いた斜入射光束が用いられる。このＮＡＳＡの３枚鏡では、約２゜の視野角が得られている。一方、全長は焦点距離の半分程度の長さとなるためコンパクト化が可能である。
【０００８】
さてこられの望遠鏡の一次元ＣＣＤの近傍に分光光学部を配置するものとする。分光光学部は複数の波長帯域に分光するために光路分割するもので、通常、ダイクロイックミラーで分光するタイプと、分光プリズムで分光するタイプがある。
【０００９】
図９はダイクロイックミラーで分光する従来構成例であり、１４ａ，１４ｂ，１４ｃはそれぞれブルー，グリーン，レッドの所定の帯域に制限するためのバンドパスフィルタであり、１５ａ，１５ｂはダイクロイックミラーである。また図１０は分光プリズムで分光する従来構成例であり、１６ａ，１６ｂ，１６ｃは分光プリズムである。こうした平行平面板を集束光の中に設置すると、球面収差，非点収差，像面湾曲，色収差等が変化し、ＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）が低下する。このため高空間分解能の反射望遠鏡の場合には、これらの収差を補正するために、光路中に補正レンズが入れられる。しかしダイクロイックミラーで分光する場合は、集束光の中に傾けて置かれるため、そのダイクロイックミラーを透過する光束は、光軸上に結ぶ光束でも非点収差が入り、ダイクロイックミラーが厚いと補正レンズによる補正も困難となる。一方、分光プリズムを用いた場合は、その入出射面は傾けられることがないため、非点収差の影響は少ない。それゆえ高空間分解能の反射望遠鏡には、ダイクロイックミラーを用いる場合に比べ重くはなるが分光プリズムを用いる方が有利である。
【００１０】
図１１は分光プリズムで分光したシュミット反射屈折望遠鏡の従来構成例である。１７は、図１０の従来構成例で構成された分光光学部で、この場合は、補正レンズ１０で像面湾曲を補正すると同時に、分光光学部１７から発生する色収差を補正している。それゆえ、分光プリズムによる分光でも高い空間分解能が得られていた。しかし３枚鏡のように反射光学部材のみからなる望遠鏡では、分光プリズムタイプを用いると補正レンズを用いたとしても収差の補正は容易ではなく、これまでは高空間分解能を犠牲にして、ダイクロイックミラーによる分光を行っていた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来技術の高空間分解能の３枚鏡では、マルチスペクトル分光を行うためには、ある程度の空間分解能を犠牲にするばかりでなく、大型化していた。このため高空間分解能のマルチスペクトル分光には、主に、シュミット反射屈折望遠鏡が採用されていたが、シュミット反射屈折望遠鏡の高空間分解能化によって大型化し、かつ重量が増大するという問題があった。
【００１２】
この発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたもので、実用的な画像視野を有するコンパクトかつ高空間分解能の反射望遠鏡であって、分光プリズムからなる分光光学部を備えたマルチスペクトル分光反射光学系を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、ほぼ無限遠から入射する斜入射光束を、中央部に開口を有する凹面の第一位反射鏡と、その前方に配置された凸面の第二位反射鏡により、第一位反射鏡の中央開口を通過させるとともに、その開口近傍で中間結像させ、さらに凹面の第三位反射鏡により、略等倍で再結像させるＮＡＳＡの３枚鏡と呼ばれる反射光学系において、第三位反射鏡の入射と出射の各光路中の光軸上に、第三位反射鏡に関し略折り返し対称に、平行平面板と、分光プリズムからなる分光光学部とをそれぞれ配置し、第三位反射鏡の入射と出射の共通光路中にメニスカスレンズを配置したものである。
【００１４】
また第２の発明はメニスカスレンズを平行平面板、分光光学部と同一の硝材で構成したものである。
【００１５】
また第３の発明はメニスカスレンズを負のレンズで構成したものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１を示す構成図である。この実施の形態１は図８のＮＡＳＡの３枚鏡を基本構成としており、１は第一位反射鏡、２は第二位反射鏡、３は第三位反射鏡、４は一次元ＣＣＤ、６は光軸、１１は開口、１２は中間結像点、１７は分光光学部、１８は平行平面板、１９はメニスカスレンズである。図において説明の煩雑さを避けるため、分光光学部１７は１チャンネル分のみを記載し、分光プリズムとバンドパスフィルタを一体にしたトンネルダイアグラムで示している。図の左方から第二位反射鏡２の周囲空間を通って入射した光束は第一位反射鏡１で反射され、第二位反射鏡２に向かい反射され、この反射光束が第一位反射鏡１の中央に穿たれた開口１１を通り、その開口１１の近傍の中間結像点１２で空中像として結像する。空中像を結んだ光束はさらに進行し、平行平面板１８、メニスカスレンズ１９と順次透過し、第三位反射鏡３で反射される。そして、その反射光は再びメニスカスレンズ１９を透過した後、平行平面板１８に形成された折り曲げミラー１３で折り曲げられて分光光学部１７に入射する。最後に、分光光学部１７を射出した光束は一次元ＣＣＤ４の上に再結像する。この実施の形態１では、分光光学部１７で発生する様々な収差を平行平面板１８と、メニスカスレンズ１９で補正している。なおメニスカスレンズとは、朝倉書店発行の“光学技術ハンドブック”、昭和５６年第６刷版のｐ７８８からｐ７８９に示されるているように、断面形状が三日月型をしているレンズである。
【００１７】
図２を用いて、この実施の形態１の収差補正の原理を説明する。６は光軸、２０は等倍レンズ、２１ａ，２１ｂは光学部品、２２は対称軸である。この対称軸２２に対して物体側と像側に対称に光学部品２１ａ，２１ｂを配置すると、光学部品２１ａ，２１ｂから発生するザイデルの五収差及び縦横の色収差のうち、コマ収差、歪曲収差、及び横の色収差は互いに打ち消し合い、球面収差、非点収差、像面湾曲及び縦の色収差は倍になることが知られている。通常はこれらの７つの収差を全て補正するようにレンズの形状が決定される。このため補正のためのレンズ枚数等のパラメータは最低７つは必要となる。しかし例え残りの４つの収差が倍になったとしても、あらかじめ３つの収差が自動的に補正されていれば、そのパラメータは最低４つですむため、少ない部品で収差補正が可能となるという特徴がある。
【００１８】
図３は等倍レンズ２０の代わりに等倍反射鏡２３で置き換えたものである。この場合は、対称軸は鏡面に接した折り返し線２４となり、光学部品２１ａ，２１ｂは折り返し重なるように配置されている。なお図３は判り易くするために、光学部品２１ａ，２１ｂを光軸６に対して対称に描いている。その配置から通常の対称とは異なるように見えるが、曲率のある等倍反射鏡は等倍レンズと同じ機能を示すことから、結像関係上は、図２と図３は全く等価である。従って、この折り返し線２４は、光学部品２１ａと光学部品２１ｂの図２の対称軸と同一と見なすことができる。それゆえ、この発明ではこの対称性を折り返し対称と呼ぶことにする。図６に示される軸外し３枚鏡と図７に示されるシュミット反射屈折望遠鏡の構成中には等倍で結像する働きをする反射鏡部品はないが、図８に示すＮＡＳＡの３枚鏡では第三位反射鏡３が略等倍反射鏡となっている。それゆえ、この部位に図３に示す主法を適用することが可能である。
【００１９】
まず分光光学部１７を一次元のＣＣＤ４の直前に配置することを前提とする。そして分光光学部１７と同じ厚さで、同じ硝材（例えば石英）の平行平面板１８を第三位反射鏡３に対し折り返し対称の位置、つまり中間結像点１２の直後に配置する。この配置で分光光学部１７から発生したコマ収差、歪曲収差、及び横の色収差は自動的に補正される。正確にいえば、曲率のある面を持つ光学部品の場合は、折り返し対称に配置する必要があるが、平行平面板１８のように曲率のある面を持たない光学部品の場合は、厳密に折り返し対称としなくてもこの自動補正はなされる。つぎにその他の収差、つまり球面収差、非点収差、像面湾曲、そして縦の色収差を補正するために、やはり第三位反射鏡３に対し折り返し対称となるようにメニスカスレンズ１９を配置することを考える。このメニスカスレンズ１９は第三位反射鏡３に入射する光束と出射する光束に共通に使用できるよう配置することが可能である。このメニスカスレンズ１９を、中間結像点１２及び一次元ＣＣＤ４の近傍に曲率中心を有するメニスカス形状とすることで非点収差の補正を行い、さらにこれを負レンズとすることにより、平行平面板および分光光学部から発生する縦の色収差を補正している。球面収差については、ＮＡＳＡの３枚鏡自体が持つ球面収差を平行平面板、分光光学部及びメニスカスレンズの全てが減少させる方向に働いている。そしてメニスカスレンズの焦点距離を非常に長くすることが、３枚鏡のみで構成される基本構成のペッツバール和に変化を与えないようにして、画像湾曲も抑えている。
【００２０】
表１は、図１の実施の形態１の最適化設計例である。第三位反射鏡３に対する折り返し対称性が成立していれば、コマ収差、歪曲収差及び横の色収差の自動補正はなされる。それゆえ、メニスカスレンズ１９の硝材は、必ずしも平行平面板１８及び分光光学部１７と同じである必要はないが、この実施の形態１では同一硝材とした例を挙げている。慣習として、面間隔の符号はミラーによる反射の度毎に反転し、曲率半径の符号は面間隔が正のとき、光の入射側に凸の場合に正の値、凹の場合に負の値を持ち、面間隔が負のときは、光の入射側に凹の場合に正の値、凸の場合に負の値を持つものとする。図４（ａ）には、従来例の図８の最適化設計例のＭＴＦ特性、図４（ｂ）には表１の最適化設計例のＭＴＦ特性を示している。それぞれの設計条件は、第一位反射鏡の口径を６００ｍｍ、焦点距離を２１００ｍｍ、評価に用いた空間周波数を５０ｌｐ／ｍｍとした。またＭＴＦは、波長域が４６０ｎｍから８３０ｎｍまでのポリクロマチックＭＴＦを計算した。従来例の性能とこの発明の実施の形態１の性能とではほとんど差がなく、十分な補正がなされていることがわかる。さらに図５は、表１の最適化設計例による縦の色収差を示しているが、全波長域で２０μｍ以下であり、色収差はほとんど無視しうる量であることが分かる。この実施の形態１におけるメニスカスレンズの焦点距離は、−９１７１．５５ｍｍで、非常に長い負の焦点距離となっている。
【００２１】
【表１】
0003752787.tif 000003
【００２２】
全ての収差を補正するためには、焦点距離の長い負のメニスカスレンズでなければならないことは、実施の形態１で示された。しかし、分光光学部で分光された後の各チャンネルの波長帯域が互いに重なり合わない帯域となり、しかも検出器も独立して配置される場合がある。この場合は縦の色収差は個々のチャンネルに対しそれぞれ異なった焦点位置として現れることになり、各チャンネルの検出器の位置を個別に調整することで吸収できる。従って、この場合には、メニスカスレンズを負のレンズにする必要はない。また視野角を限定すれば、像面湾曲が多少出ていても問題にはならない。このことから視野角が狭い場合には焦点距離は必ずしも長い必要はない。ただし如何なる場合においても、実用に耐えうる収差とするための必要不可欠な条件はメニスカスレンズを用いることである。
【００２３】
【発明の効果】
この発明によれば、ほぼ無限遠から入射する射入射光束を、中央部に開口１１を有する凹面の第一位反射鏡１と、その前方に配置された凸面の第二位反射鏡２により第一位反射鏡の開口１１を通過させるとともに、その開口１１の近傍の中間結像点１２で中間結像させ、さらに凹面の第三位反射鏡３により、略等倍で再結像させる反射鏡光学系において、第三位反射鏡３の入射と出射の各光路中の光軸６上に、第三位反射鏡３に関し略折り返し対称に、平行平面板１８と分光光学部１７をそれぞれ配置し、第三位反射鏡３の入射と出射の共通光路中にメニスカスレンズ１９を配置することによって、実用的な画像視野を有し、コンパクトかつ高空間分解能な反射望遠鏡であって、分光プリズムからなる分光光学部を備えたマルチスペクトル分光反射光学系を構成することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明によるマルチスペクトル分光反射光学系の実施の形態１を示す図である。
【図２】  この発明の実施の形態１の等倍レンズを例とした収差補正の原理を示す図である。
【図３】  この発明の実施の形態１の等倍反射鏡を例とした収差補正の原理を示す図である。
【図４】  （ａ）は従来例の図８の最適化設計例のＭＴＦ特性を示す図であり、（ｂ）はこの発明の実施の形態１の最適化設計例のＦＴＦ特性を示す図である。
【図５】  この発明の実施の形態１の最適化設計例の縦の色収差を示す図である。
【図６】  従来の軸外し３枚鏡の構造を説明する図である。
【図７】  従来のシュミット反射屈折望遠鏡の構造を説明する図である。
【図８】  従来のＮＡＳＡの３枚鏡の構造を説明する図である。
【図９】  従来のダイクロイックミラーで分光する分光光学部構成例を示す図である。
【図１０】  従来の分光プリズムで分光する分光光学部構成例を示す図である。
【図１１】  従来の分光プリズムからなる分光光学部を有するシュミット反射屈折望遠鏡の構成を示す図である。
【符号の説明】
１  第一位反射鏡、２  第二位反射鏡、３  第三位反射鏡、４  一次元ＣＣＤ、５  平行光束、６  光軸、７  シュミット補正板、８  平面反射鏡、９  主鏡、１０  補正レンズ、１１  開口、１２  中間結像点、１３  折り曲げミラー、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ  バンドパスフィルタ、１５ａ，１５ｂ  ダイクロイックミラー、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ  分光プリズム、１７  分光光学部、１８  平行平面板、１９  メニスカスレンズ、２０  等倍レンズ、２１ａ，２１ｂ  光学部品、２２  対称軸、２３  等倍反射鏡、２４  折り返し軸。
【図１】
0003752787.tif 000004
【図２】
0003752787.tif 000005
【図３】
0003752787.tif 000006
【図４】
0003752787.tif 000007
【図５】
0003752787.tif 000008
【図６】
0003752787.tif 000009
【図７】
0003752787.tif 000010
【図８】
0003752787.tif 000011
【図９】
0003752787.tif 000012
【図１０】
0003752787.tif 000013
【図１１】
0003752787.tif 000014