少なくとも一つの非回転対称ミラーを備える３ミラー収差補正システム
【課題】複数の波長帯に対して十分な補正がされ、熱感度を低減した、ビネットのない反射光学システムを提供する。
【解決手段】少なくとも一つの波長帯において物体空間中の物体の第１像平面ＩＰに像を形成する反射対物光学システム１０であって、３ミラー収差補正構成で配置され、第１反射面ＭＳ１、第２反射面ＭＳ２、第３反射面ＭＳ３をそれぞれ有し、前記第１反射面、第２反射面、第３反射面の順に前記物体からの光を前記像に反射する第１ミラーＭ１、第２ミラーＭ２、第３ミラーＭ３と、前記第１ミラーと前記第３ミラーとの間に配置され、少なくとも一つの中間像ＩＩＭが形成される少なくとも一つの中間像位置とを備え、前記第１反射面、第２反射面、第３反射面の少なくとも一つは、非回転対称である。
【解決手段】少なくとも一つの波長帯において物体空間中の物体の第１像平面ＩＰに像を形成する反射対物光学システム１０であって、３ミラー収差補正構成で配置され、第１反射面ＭＳ１、第２反射面ＭＳ２、第３反射面ＭＳ３をそれぞれ有し、前記第１反射面、第２反射面、第３反射面の順に前記物体からの光を前記像に反射する第１ミラーＭ１、第２ミラーＭ２、第３ミラーＭ３と、前記第１ミラーと前記第３ミラーとの間に配置され、少なくとも一つの中間像ＩＩＭが形成される少なくとも一つの中間像位置とを備え、前記第１反射面、第２反射面、第３反射面の少なくとも一つは、非回転対称である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射光学システムに関し、特に、少なくとも一つの非回転対称ミラーを備える３ミラー収差補正システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
光学結像システム、とりわけ対物光学システムは、物体空間からの光（放射線）を集光し、この光を像空間、即ち、「実像が形成されると共にその実像が検出器により検知される空間」に搬送することにより、視認される光景に関する情報を提供する。多くの対物光学システムは、所定の波長域（波長帯）で動作するが、複数の波長帯で結像することにより、物体空間に関する情報をさらに提供することができる。複数の光波長帯を感知可能な高性能電子画像センサが登場したことにより、こうした複数波長帯用の対物光学システムが実現される。しかし、対物光学システムは複数の波長帯に対して十分な補正が必要となるため、対物光学システムには、さらなる要求がなされている。
【０００３】
光を十分に透過させることができると共に収差、特に色収差を補正することができる屈折材料を入手することが困難であることから、複数の波長帯において結像能力を有する屈折対物光学システムの設計が難しくなっている。その他、温度上昇・下降時に画像の焦点ぼやけ及び収差補正の損失を引き起こす管理システムの熱感度も問題となっている。
【０００４】
反射対物光学システムには、ミラーが光の透過に依存せず、色収差がなく、熱感度が低い傾向にあるという利点がある。３つのミラーを採用する種類の反射対物光学システムは、「３ミラー収差補正システム」または「ＴＭＡ」と呼ばれる。ＴＭＡのミラーは、光が反射対物光学システムを４方向に横断することにより、結像した光景を鮮明にする、即ち、ビネット（口径食）のない状態にするように構成されている。
【０００５】
これまでに設計されているＴＭＡは、一平面上で互いに偏心且つ傾斜する複数の回転対称ミラーを備えている。しかし、従前のＴＭＡは、コンパクト性に欠け、Ｆ値（焦点比）が比較的遅く（大きく）、収差補正が最低限となっている。さらに、特性増幅（ｓｉｇｎａｔｕｒｅ ａｕｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ）がなく、さらに／または、歪みが小さい等の他の設計要件を満たすためには、開口を十分に緩めて高性能化する必要がある。さらに、より短い波長（例えば、可視波長帯）での動作がＴＭＡに要求される場合、コンパクトな設計では、収差の補正がより難しくなる。ミラーをさらに追加することはできるが、その代わり、より複雑になり、場合によっては、大きく重くなってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第４，２６５，５１０号明細書
【特許文献２】米国特許第４，８３４，５１７号明細書
【特許文献３】米国特許第６，０１６，２２０号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
単一または複数の波長帯での動作において、少なくとも一つの最終像平面で高性能に結像する改良型ＴＭＡシステムが開示される。残像収差を最小化するために、少なくとも一つのミラーが非回転対称とされる。コールド絞り位置へのアクセスを提供し、複数像平面において複数の画像センサを実現するビームスプリッタの位置へのアクセスを提供し、特性増幅を制御し、「単体のみで優れた歪み補正」または「取り込まれたデジタル画像の電子後処理によって補正可能な形式の歪み補正」を有するように、ＴＭＡシステムを配置してもよい。
【０００８】
本発明の一態様は、少なくとも一つの波長帯において物体空間中の物体の第１像平面に像を形成する反射対物光学システムに関する。この反射対物光学システムは、第１、第２、第３ミラーを備える。これらのミラーは、ＴＭＡ構成で配置され、第１、第２、第３反射面をそれぞれ有し、第１、第２、第３反射面の順に物体からの光を像に反射する。第１ミラーと第３ミラーとの間に少なくとも一つの中間像位置が存在する。中間像位置には、少なくとも一つの中間像が形成される。また、第１、第２、第３反射面の少なくとも一つは、非回転対称である。一例では、少なくとも一つの非回転対称面は、対応する少なくとも一つの電気鋳造ミラーにより実現される。
上述の反射対物光学システムでは、ミラーの少なくとも一つは被電気鋳造ミラーであることが好ましい。また、少なくとも一つの非回転対称反射面は、少なくとも一つの電気鋳造ミラー上に形成されている。
上述の反射対物光学システムは、第１像平面と第３ミラーとの間に開口絞りをさらに備えることが好ましい。
上述の反射対物光学システムでは、軸方向フィールド光線の主光線は、第１像平面に実質的に垂直であることが好ましい。
上述の反射対物光学システムでは、３つの反射面はすべて非回転対称であることが好ましい。
上述の反射対物光学システムは、開口絞りの位置に配置されるコールド絞りをさらに備えることが好ましい。
上述の反射対物光学システムでは、少なくとも一つの反射面はトロイダル形状である。
上述の反射対物光学システムでは、少なくとも一つの波長帯には、４５０ｎｍから６５０ｎｍの範囲の可視光線波長帯、７００ｎｍから１２００ｎｍの範囲の近赤外線波長帯、３ミクロンから５ミクロンの範囲の中赤外線波長帯、８ミクロンから１２ミクロンの範囲の遠赤外線波長帯、２０ｎｍから４００ｎｍの範囲の紫外線波長帯、１３．５ｎｍの波長を含む極端紫外光波長帯、１３．５ｎｍ未満の波長を有するＸ線波長帯の一つが含まれることが好ましい。
上述の反射対物光学システムでは、少なくとも一つの波長帯には、可視光線波長帯、近赤外線波長帯、中赤外線波長帯、遠赤外線波長帯から選択される２つ以上の波長帯が含まれることが好ましい。
上述の反射対物光学システムは、少なくとも一つの中間像の位置に実質的に配置される視野絞りをさらに備えることが好ましい。
上述の反射対物光学システムは、ビームスプリッタ、第１画像センサ、第２画像センサをさらに備えることが好ましい。ビームスプリッタは、第１像平面と開口絞りとの間、または、開口絞りと第３ミラーとの間に配置される。また、ビームスプリッタは、第２像平面を形成する。第１画像センサおよび第２画像センサは、第１像平面および第２像平面にそれぞれ配置されている。
上述の反射対物光学システムは、第１画像センサ及び処理用電子機器をさらに備えることが好ましい。第１画像センサは、第１像平面に配置される。処理用電子機器は、第１画像センサに電気的に接続されている。
上述の反射対物光学システムは、ビームスプリッタ及び第２画像センサをさらに備えることが好ましい。ビームスプリッタは、第１像平面と第３ミラーとの間に配置されている。また、ビームスプリッタは、第２像平面を形成するように構成されている。第２画像センサは、第２像平面に配置される。また、第２画像センサは、処理用電子機器に電気的に接続されている。
【０００９】
本発明の他の態様は、第１、第２、第３反射面をそれぞれ有する第１、第２、第３ミラーを備える反射対物光学システムである。これらのミラーはＴＭＡ構成で配置される。そして、第１、第２、第３ミラーの少なくとも二つはトロイダル面を有する。一例では、３つのミラーはすべてトロイダル面である。電気鋳造ミラーを用いることにより二以上のトロイダル面を支持してもよい。
上述の反射対物光学システムでは、少なくとも二つのトロイダル面は電気鋳造シェルのそれぞれによって支持されることが好ましい。
上述の反射対物光学システムは、ビームスプリッタをさらに備えることが好ましい。ビームスプリッタは、異なる波長帯に対応する第１像平面と第２像平面とが反射対物光学システムに含まれるように配置される。
上述の反射対物光学システムは、第１画像センサ、第２画像センサ及び処理用電子機器をさらに備えることが好ましい。ここで、第１画像センサは、第１像平面に配置されている。第２画像センサは、第２像平面に配置されている。処理用電子機器は、第１画像センサ及び第２画像センサに電気的に接続されている。
上述の反射対物光学システムは、視野絞り及びコールド絞りの少なくとも一つをさらに備えることが好ましい。ここで、視野絞りは、実質的に中間像の位置に配置される。コールド絞りは、第３ミラーの下流の開口絞りの位置に配置される。
上述の反射対物光学システムは、可視光線波長帯および少なくとも一つの赤外線波長帯ならびに少なくとも二つの異なる赤外線波長帯の少なくとも一つを結像するように構成されることが好ましい。
上述の反射対物光学システムでは、３つのミラーはすべて電気鋳造ミラーであることが好ましい。
【００１０】
本発明のさらなる特徴および利点は、下記の詳細な説明（発明を実施するための形態）に明記されている。また、それらの一部は、詳細な説明の記載内容から当業者にとって直ちに明白となるか、下記の詳細な説明、特許請求の範囲、添付図面を含む、ここに記載された発明を実施することによって認識される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】開放絞り値約ｆ／１．３で動作する第１実施形態のＴＭＡシステムの概略ＹＺ平面図である。
【図１Ｂ】開放絞り値約ｆ／１．３で動作する第１実施形態のＴＭＡシステムの概略ＸＺ平面図である。
【図１Ｃ】図１Ａ、１ＢのＴＭＡシステムに関する変調伝達関数（ＭＴＦ）のグラフ図である。このグラフ図では、可視光線波長帯の分解能（即ち、サイクル／ｍｍ表示の空間周波数）に対して実視野（ＦＯＶ）の変調（即ち、％表示のコントラスト）がプロットされている。
【図１Ｄ】図１Ａ，１ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図では、可視光線波長帯の分解能に対してＦＯＶの変調がプロットされている。
【図１Ｅ】図１Ａ、１ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、遠赤外線波長帯の実視野に関する。
【図１Ｆ】図１Ａ、１ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、遠赤外線波長帯の実視野に関する。
【図１Ｇ】図１Ａ、１ＢのＴＭＡシステムに関するグラフ図である。このグラフ図では、水平および垂直ＦＯＶの歪曲収差がプロットされている。
【図１Ｈ】図１Ａ、１ＢのＴＭＡシステムの部分拡大図である。本図には、開口絞りに位置するコールド絞りが示されている。
【図１Ｉ】図１Ａ、１ＢのＴＭＡシステムの部分拡大図である。本図には、開口絞りの下流に位置し、第１、第２画像センサがそれぞれ配置される第１、第２像平面を形成するビームスプリッタが示されている。
【図１Ｊ】図１Ａ，１ＢのＴＭＡシステムの部分拡大図である。本図には、開放絞り値約ｆ／３．４で動作するＴＭＡにおいて、開口絞りと隣接ミラーとの間にビームスプリッタが位置することが示されている。
【図２Ａ】図１Ａ、１ＢのＴＭＡシステムの一例の概略ＹＺ平面図である。ただし、このＴＭＡシステムは、開放絞り値約ｆ／２で動作する。
【図２Ｂ】図１Ａ，１ＢのＴＭＡシステムの一例の概略ＸＺ平面図である。ただし、このＴＭＡシステムは、開放絞り値約ｆ／２で動作する。
【図２Ｃ】図２Ａ、２ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、可視光線波長帯の実視野に関する。
【図２Ｄ】図２Ａ、２ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、可視光線波長帯の実視野に関する。
【図２Ｅ】図２Ａ、２ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、遠赤外線波長帯の実視野に関する。
【図２Ｆ】図２Ａ、２ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、遠赤外線波長帯の実視野に関する。
【図３Ａ】開放絞り値約ｆ／２で動作し、特性増幅のない第２実施形態のＴＭＡシステムの概略ＹＺ平面図である。
【図３Ｂ】開放絞り値約ｆ／２で動作し、特性増幅のない第２実施形態のＴＭＡシステムの概略ＸＺ平面図である。
【図３Ｃ】図３Ａ、３ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、可視光線波長帯の実視野に関する。
【図３Ｄ】図３Ａ，３ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、可視光線波長帯の実視野に関する。
【図３Ｅ】図３Ａ，３ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、遠赤外線波長帯の実視野に関する。
【図３Ｆ】図３Ａ，３ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、遠赤外線波長帯の実視野に関する。
【図３Ｇ】図３Ａ、３ＢのＴＭＡシステムに関するグラフ図である。このグラフ図では、水平および垂直ＦＯＶの歪曲収差がプロットされている。
【図３Ｈ】図３Ａ、３ＢのＴＭＡシステムの部分拡大図である。本図には、画像センサから反射される光が開口絞りを通過しないことが示されている。
【図４Ａ】開放絞り値約ｆ／２．５で動作し、特性増幅がなく、歪曲収差が十分補正された第３実施形態のＴＭＡシステムの概略ＹＺ平面図である。
【図４Ｂ】開放絞り値約ｆ／２．５で動作し、特性増幅がなく、歪曲収差が十分補正された第３実施形態のＴＭＡシステムの概略ＸＺ平面図である。
【図４Ｃ】図４Ａ、４ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、可視光線波長帯の実視野に関する。
【図４Ｄ】図４Ａ、４ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、可視光線波長帯の実視野に関する。
【図４Ｅ】図４Ａ、４ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、遠赤外線波長帯の実視野に関する。
【図４Ｆ】図４Ａ、４ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、遠赤外線波長帯の実視野に関する。
【図４Ｇ】図４Ａ、４ＢのＴＭＡシステムに関するグラフ図である。このグラフ図では、水平および垂直ＦＯＶの歪曲収差がプロットされている。
【図４Ｈ】図４Ａ、４ＢのＴＭＡシステムの部分拡大図である。本図には、画像センサから反射される光が開口絞りを通過しないことが示されている。
【図５Ａ】開放絞り値約ｆ／１．８で動作し、コンパクトに最適化され、中・遠赤外線波長帯で実行する第４実施形態のＴＭＡシステムの概略ＹＺ平面図である。
【図５Ｂ】開放絞り値約ｆ／１．８で動作し、コンパクトに最適化され、中・遠赤外線波長帯で実行する第４実施形態のＴＭＡシステムの概略ＸＺ平面図である。
【図５Ｃ】図５Ａ、５ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、中赤外線波長帯の実視野に関する。
【図５Ｄ】図５Ａ、５ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、中赤外線波長帯の実視野に関する。
【図５Ｅ】図５Ａ、５ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、遠赤外線波長帯の実視野に関する。
【図５Ｆ】図５Ａ、５ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、遠赤外線波長帯の実視野に関する。
【図５Ｇ】図５Ａ、５ＢのＴＭＡシステムに関するグラフ図である。このグラフ図では、水平および垂直ＦＯＶの歪曲収差がプロットされている。
【００１２】
図中の様々な構成要素は単に図示されたに過ぎず、必ずしも実際の縮尺通りに図示されている訳ではない。これらの構成要素のうち、ある部分は誇張して図示され、ある部分は最小化して図示されている場合もある。本図面は、当業者によって理解され、適切に実行され得る本発明の実施形態の一例を図示することを意図するものである。図中、同様の部品および要素は、同様の参照番号および符号により特定される。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、反射対物光学システムに関し、特に、少なくとも一つの非回転対称ミラーを備えるＴＭＡに関する。
【００１４】
一例では、少なくとも一つの非回転対称ミラーは、電気鋳造ミラーである。即ち、反射面は、電気鋳造一体化（モノリシック）構造によって、所定の非回転対称な表面形状を有するように構成された剛体シェル状に支持されている。電気鋳造ミラーの表面形状は、対応する形状のマンドレルによって形成される。このため、電気鋳造ミラーの表面形状は、一旦マンドレルを適切に加工すれば、安価に複製可能である。少なくとも一つの電気鋳造ミラーを形成するために任意の電気鋳造可能材料を使用してもよいが、一例では、被電気鋳造シェルは、ニッケルまたはニッケル合金から形成される。回転対称ミラーは、電気鋳造ミラーでもよいし、従前のガラスミラーでもよい。
【００１５】
他の例では、少なくとも一つの非回転対称ミラーは、ダイヤモンド旋盤加工等の従前の手段でも形成可能である。ダイヤモンド旋盤加工により非回転対称ミラーの形成を検討する際、これを制限する要因となり得るのは、適切なダイヤモンド旋盤加工機（例えば、５軸加工機）の入手とその費用である。さらに、適切な表面形状の加工が可能だとしても、従前のガラスミラーでは重量とコンパクト性の要件を満たすことは容易ではない。
【００１６】
さらに、従前のダイヤモンド旋盤加工プロセスでは、「マスタ」に依存せずにミラー面が加工される。したがって、加工された各ミラー面は、微視的には固有であり、相当な後処理を実行して表面形状要件を満たす必要がある。したがって、大抵の場合、少なくとも一つの非回転対称ミラーを形成するに当たって電気鋳造技術を利用すれば、費用対効果が高く効率的であると考えられる。
【００１７】
本発明の実施形態の例は、表１、２、３及び４に掲載の様々な設計例と、これらの表および以下に含まれるレンズ設計規定データとを利用して記載される。なお、レンズ設計規定データは、オプティカル・リサーチ・アソシエイツ社（米国カリフォルニア州パサデナ）の商業利用可能な光学設計ソフトウェア「ＣＯＤＥ Ｖ（登録商標）」により生成したデータから抽出したものである。下記表に記載の全ての実施形態の例では、３つの非回転対称ミラーが採用されている。
【００１８】
以下に示す全てのデータは、摂氏２５度（華氏７７度）及び標準気圧（７６０ｍｍＨｇ）の条件下で得られる。
【００１９】
ここに記載の実施形態の例では、複数の短波長帯と相当な波長帯域に及ぶ複数の波長帯とで使用する大口径（ｆａｓｔ ａｐｅｒｔｕｒｅ）において、所望の複数の空間周波数で高コントラストが得られる。
【００２０】
ここで言及する様々な波長帯は、以下の近似波長帯域を有することができる。Ｘ線波長帯は、１３．５ｎｍ未満の波長を有する。ＥＵＶ波長帯は、１３．５ｎｍの波長を含む。紫外線波長帯は、約２０ｎｍから約４００ｎｍの波長を有する。可視波長帯は、約４５０ｎｍから約６５０ｎｍの波長を有する。近赤外線波長帯は、約７００ｎｍから１２００ｎｍの波長を有する。中赤外線波長帯は、約３０００ｎｍから約５０００ｎｍの波長を有する。遠赤外線波長帯は、約８０００ｎｍから約１２０００ｎｍの波長を有する。一例では、波長帯全域における最短波長に対する最長波長の比は、約２７：１（例えば、２６．７：１）である。
【００２１】
所望の空間波長や、波長帯（中赤外線波長帯、遠赤外線波長帯等）のより長い波長において回折依存によるコントラストの損失を低減するためには、例えば、Ｆ値が約４未満の大口径が必要である。ここに開示する反射対物光学システムは、少なくとも一つの非回転対称ミラーを利用することによりコンパクトなシステムでこれを達成する。ここで、少なくとも一つの非回転対称ミラーは、例えば、他のミラーに対して偏心または傾斜する等、軸外しされた状態で配置されてもかまわない。
【００２２】
ここに記載する反射対物光学システムは、例えば、米国特許第４，２６５，５１０号、第４，８３４，５１７号、第６，０１６，２２０号に記載の従前のＴＭＡシステムの改良とみなしてもよい。なお、当該米国特許を本発明に援用する。
【００２３】
ここに開示するＴＭＡシステムは、コンパクトに形成可能であり、大口径を使用して、少なくとも一つの波長帯の所望の空間波長で高コントラストを提供し、軽量化等の他の有用な特徴を提供する。これは、とりわけ少なくとも一つの電気鋳造ミラーを使用する場合に該当する。
【００２４】
ここに記載するＴＭＡの実施形態の例では、軸方向フィールド光線ＡＦＢの主光線ＣＲが、像平面ＩＰ（ひいては当該平面上に配置された画像センサＩＳ）に直入射（または、非直入射）すると共に、画像センサＩＳの表面が入射光の光学軸に対して傾斜しない（または傾斜する）ように（図１Ｉ及び下記の記載を参照）構成される。
【００２５】
以下、「下流」および「上流」との用語は、入射光ＬＲの方向について言及するものである。即ち、入射光ＬＲは、上流から下流に向かって「流れる」。したがって、第２光学要素が第１光学要素の下流に位置する場合、第１光学要素は、第２光学要素に先立って入射光ＬＲを受光する。つまり、物体空間は像空間の上流に位置する。
【００２６】
（実施形態１）
図１Ａは、開放絞り値約ｆ／１．３で動作する第１実施形態に係るＴＭＡシステム１０のＹＺ平面（図１Ａ）の概略図である。また、図１Ｂは、開放絞り値約ｆ／１．３で動作する第１実施形態に係るＴＭＡシステム１０のＸＺ平面の概略図である。ＴＭＡシステム１０は、反射面ＭＳ１を有する第１（一次）ミラーＭ１、反射面ＭＳ２を有する第２（二次）ミラーＭ２、および、反射面ＭＳ３を有する第３（三次）ミラーＭ３を備えている。ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３は、ＹＺ平面上で軸外しされて偏心するＴＭＡ構成で配置されている。
【００２７】
図中、光線ＬＲは、左から右に物体空間ＯＢＳＰから進行し、先ず一次ミラーＭ１に入射することが示されている。一次ミラーＭ１は光線ＬＲを二次ミラーＭ２に反射し、二次ミラーＭ２は光線ＬＲを三次ミラーＭ３に反射する。三次ミラーＭ３は、光線ＬＲを像空間ＩＭＳＰの像平面ＩＰに案内し、像平面ＩＰ上に像ＩＭを形成する。開口絞りＡＳは、三次ミラーＭ３と像平面ＩＰとの間に位置する。
【００２８】
図示される通り、入射瞳は、一次ミラーＭ１の上流に位置する物体空間ＯＢＳＰで軸方向の光線が交差する入射瞳位置ＥＰＬに配置されている。しかし、これは近軸位置であり、瞳の収差（主に歪曲）によって、入射瞳が入射瞳位置ＥＰＬにおける平面に完璧に位置することはない。とは言うものの、入射瞳の収差がＴＭＡシステム１０の結像性能に対して実質的に影響を与えることはない。
【００２９】
中間像ＩＩＭは、ミラーＭ１及びＭ２の間に形成される（図１Ａ参照）。中間像ＩＩＭを設けることは有益である。中間像ＩＩＭを設けることにより、物体空間ＯＢＳＰにおける光源（図示せず）を起源とし（または起源とせず）、疑似経路に沿って像平面ＩＰ、ひいては平面ＩＰ上の画像センサＩＳに到達する不要な光を遮蔽することができるからである。なお、ミラーＭ１〜Ｍ３の間またはその周辺に開口または複数のバッフルを導入するか、あるいは、中間像ＩＩＭに視野絞りを配置することにより、疑似光を完全に（または部分的に）遮蔽してもよい。光バッフルの効果は、中間像ＩＩＭのアクセスのし易さに依存する。場合によっては（例えば、実施形態１、４）、中間像ＩＩＭの底部まで延在するバッフルによって光路がぼやけ、中間像ＩＩＭの上部にしか位置することができないので、部分的な効果のみ得られることになる。また、場合によっては（例えば、実施形態２、３）、こうした光路のぼやけが発生せず、バッフルを完全に利用することができる。
【００３０】
詳細については後述するが（例えば、図１Ｈを参照）、一例では、像ＩＭを検出するために、画像センサＩＳが像平面ＩＰ上に配置される。比較的長い波長を有する少なくとも一つの波長帯（中赤外線波長帯、遠赤外線波長帯など）で結像する場合、ここに記載するＴＭＡシステム１０は、光がＴＭＡシステム１０に入射して通過し、少なくとも一つの画像センサＩＳに到達する際に、光のぼやけまたはビネットを発生させないように構成することができる点で有利である。なお、この点は、より長い波長において、ＴＭＡシステム１０の熱感度および熱分解能を高めるのに有用である。
【００３１】
より長い波長帯（例えば、「３μｍから５μｍの中赤外線波長帯」および「８μｍから１２μｍの遠赤外線波長帯」の一方または両方の波長帯）で光を検出する画像センサＩＳの感度を高めるために、画像センサＩＳの画素サイズは、約２５μｍ等、比較的大きいサイズであってもよい。また、より短い波長帯（例えば、「４５０ｎｍから６５０ｎｍの可視光線波長帯」および「７００ｎｍから１２００ｎｍの近赤外線波長帯」の一方または両方の波長帯）で光を検出する画像センサＩＳの場合、画像センサＩＳの画素サイズは、検出感度に重大な影響を与えない小さなサイズ（約１０ミクロン等）であってもよい。
【００３２】
したがって、一例では、約１０．１ｍｍ（縦）×１５．２ｍｍ（横）のサイズを有する像ＩＭの場合、長い波長帯の画像センサＩＳの画素サイズは約６００ピクセルであってもよく、短い波長帯の画素センサＩＳの画素サイズは約１５００ピクセルであってもよい。１０ミクロンのピクセルサイズには、約２５サイクル／ｍｍの空間周波数で、比較的高いコントラスト（変調）が必要となる。また、２５ミクロンのピクセルサイズには、１０サイクル／ｍｍのより緩和された空間周波数で、比較的高いコントラストが必要となる。
【００３３】
ＴＭＡシステム１０では、一次ミラーＭ１、二次ミラーＭ２、三次ミラーＭ３の少なくとも一つが非回転対称である。実施形態の一例では、例えば、米国特許出願公報第２００９／０３１４６４６号に記載の電気鋳造プロセスにより、少なくとも一つの非回転対称ミラーが形成される。なお、当該特許出願公報は本出願に援用される。
【００３４】
以下の表において、ＳＲＦは「表面」の短縮表記であり、ＡＳは「開口絞り」の短縮表記である。また、以下で使用する表記「Ｅ−ｎ」は「１０−ｎ」の短縮表記である。
【００３５】
以下の表１では、第１実施形態に係るＴＭＡシステム１０のレンズ設計規定の一例が説明される。
【００３６】
【表１】
【００３７】
非回転対称ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３の表面プロファイルは、下記の従前の等式により規定される。
【００３８】
Ｚ＝α／β＋γ＋δ
このとき、
α＝（ＣＸ）Ｘ２＋（ＣＹ）Ｙ２
β＝１＋（１−（１＋ＫＸ）（ＣＸ）２Ｘ２−（１＋ＫＹ）（ＣＹ）２Ｙ２）１/２
γ＝ＡＲ（（１−ＡＰ）Ｘ２＋（１＋ＡＰ）Ｙ２）２＋ＢＲ（（１−ＢＲ）Ｘ２＋（１＋ＢＰ）Ｙ２）３
δ＝ＣＲ（（１−ＣＰ）Ｘ２＋（１＋ＣＰ）Ｙ２）４＋ＤＲ（（１−ＤＰ）Ｘ２＋（１＋ＤＰ）Ｙ２）５
【００３９】
ここで、ＲＸ及びＲＹは、それぞれＸ軸およびＹ軸周りの所与の表面の曲率半径である。また、ＣＸ＝１／ＲＸであり、ＣＹ＝１／ＲＹであり、ＫＸ、ＫＹ、ＡＲ、ＡＰ、ＢＲ、ＢＰ、ＣＲ、ＣＰ、ＤＲ及びＤＰは、多項係数である。また、Ｚは、所与のＸ及びＹ値に対する表面プロファイルの位置であり、表面の極（即ち、軸方向頂点）からの光学軸に沿って測定される。表面位置は参照表面に対して与えられ、このとき、ＸＰ、ＹＰ及びＺＰはそれぞれＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向における位置距離である。また、ＸＲ、ＹＲ及びＺＲは、それぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸周りの回転角である。
【００４０】
以下、一次ミラーＭ１に関する係数を示す。
ＣＹ＝−０．００４９５８１４
ＫＹ＝−０．６７４４８５
ＣＸ＝−０．００４５０２９３
ＫＸ＝−０．６３６６３１
ＡＲ＝−５．４５８７４Ｅ−１１
ＢＲ＝−７．９４７８６Ｅ−１７
ＣＲ＝−５．８４９５５Ｅ−２３
ＤＲ＝ １．２５９１４Ｅ−２１
ＡＰ＝ ８．２７３９９Ｅ−０２
ＢＰ＝−４．７１３８３Ｅ＋００
ＣＰ＝−７．９１０５２Ｅ＋００
ＤＰ＝−１．１１５５９Ｅ＋００
【００４１】
以下、二次ミラーＭ２に関する係数を示す。
ＣＹ＝−０．００６８４４３３
ＫＹ＝ ０．００００００
ＣＸ＝−０．００７９１９０３
ＫＸ＝ ０．００００００
ＡＲ＝ ９．４９１９０Ｅ−０８
ＢＲ＝−３．９２０３２Ｅ−１０
ＣＲ＝ ９．２５８７１Ｅ−１３
ＤＲ＝ １．９０２９０Ｅ−１６
ＡＰ＝ ０．０００００Ｅ＋００
ＢＰ＝−２．８８８３７Ｅ−０１
ＣＰ＝−１．２０８４３Ｅ＋００
ＤＰ＝−４．６９７６７Ｅ−０１
【００４２】
以下、三次ミラーＭ３に関する係数を示す。
ＣＹ＝−０．００７１１５３３
ＫＹ＝−０．０１４２２２
ＣＸ＝−０．００７３３５０７
ＫＸ＝−０．０３５２３８
ＡＲ＝ ２．２５１５６Ｅ−１３
ＢＲ＝−７．１６１５５Ｅ−１４
ＣＲ＝ ７．６２８１６Ｅ−２８
ＤＲ＝ ０．０００００Ｅ＋００
ＡＰ＝ １．１０４３１Ｅ＋０１
ＢＰ＝ ２．２８２６２Ｅ−０１
ＣＰ＝ ２．４４８８３Ｅ＋０２
ＤＰ＝ ０．０００００Ｅ＋００
【００４３】
ミラーＭ１〜Ｍ３の非回転対称面形状の一例は、「ねじれ非球面」または「アナモルフィック非球面」と称してもよい。実施形態の例では、少なくとも一つの非回転対称面は、表面の非回転対称的性の要因となる少なくとも一つの交差項を有する一般的な多項式により表される。
【００４４】
物体空間ＯＢＳＰの物体面の実視野（ＦＯＶ）は、水平方向（Ｘ軸方向）が７．６度であり、垂直方向（Ｙ軸方向）が４．８度である。開放絞り値は約ｆ／１．３であり、有効焦点距離は約９８ｍｍである。
【００４５】
図１Ｃ及び１Ｄは、図１Ａ及び１ＢのＴＭＡシステム１０に関する変調伝達関数（ＭＴＦ）のグラフ図である。このグラフ図では、可視光線波長帯の分解能（即ち、サイクル／ｍｍ表示の空間周波数）に対してＦＯＶに対する変調（即ち、％表示のコントラスト）がプロットされている。また、図１Ｅ及び１Ｆは、図１Ａ及び１ＢのＴＭＡシステム１０に関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図では、遠赤外線波長帯の実視野がプロットされている。
【００４６】
上述の通り、画像センサの画素サイズが１０ミクロンである場合、約２５サイクル／ｍｍの空間周波数で比較的高いコントラスト（変調）が必要となり、画素サイズが２５ミクロンである場合、１０サイクル／ｍｍの空間周波数で比較的高いコントラストが必要となる。なお、図１Ｃ及び１ＤのＭＴＦのグラフ図には、最大２５サイクル／ｍｍの空間周波数で変調が良好（５０％以上）であることが示されており、図１Ｅ及び１Ｆでは、最大１０サイクル／ｍｍで変調が良好（７０％以上）であることが示されている。
【００４７】
ＴＭＡシステム１０は、光学歪曲収差を低減するように構成されてもよく、少なくとも電子後処理で補正可能な形態（特性）の歪曲収差を有するように構成されてもよい。光学歪曲収差は、画像センサＩＳにより光が検出された後に、画像センサＩＳの出力信号を電子的に変化させることによって補正されてもよい。かかる場合、光学歪曲収差が低減されれば、複雑なＴＭＡシステム１０全体を簡素化（例えば、軽量化）することができる。
【００４８】
図１Ｇは、図１Ａ及び１ＢのＴＭＡシステムに関して、水平および垂直ＦＯＶの歪曲収差をプロットした図である。図１Ｇでは、両ＦＯＶに対して歪曲収差が適度に補正されており、歪曲収差が電子後処理によって直ちに補正可能となる簡素な形状特性を有することが示されている。
【００４９】
ここに記載するＴＭＡシステム１０は、ビネットなく直ちにコールド絞りＣＳを開口絞りＡＳの位置に挿入可能であることに利点がある。コールド絞りＣＳは、画像センサＩＳに到達する不要な光を低減する。これにより、ＴＭＡシステム１０の熱感度、延いては、中・遠赤外線波長帯などのより長い波長での熱分解能を向上させることができる。
【００５０】
図１Ｈは、図１Ａ及び１ＢのＴＭＡシステム１０の部分拡大図である。本図には、開口絞りＡＳに位置するコールド絞りＣＳが示されている。また、図１Ｈには、像平面ＩＰに配置される画像センサＩＳが示されている。一例では、画像センサＩＳは、複数の波長帯で放射線（光）を検出可能なマルチバンド電子画像センサである。実施形態の一例では、ＴＭＡシステム１０は、処理用電子機器ＰＥを備える。処理用電子機器ＰＥは、画像センサＩＳに電気的に接続されており、像平面ＩＰ上の光の検出に従って、画像センサＩＳからの情報（即ち、画像センサＩＳから送信される電子信号ＳＩによって具現化される情報）を処理するように構成されている。
【００５１】
実施形態の一例では、処理用電子機器ＰＥは、取込み画像ＩＭの画像処理を実行するように構成されている。例えば、処理用電子機器ＰＥは、画像の歪曲収差を補正するように構成することができる。したがって、実施形態の一例では、歪曲収差の形状が電子補正可能な程度に十分簡素である限り、歪曲収差の大きさを高度に（例えば、約１０％まで）補正する必要はない。
【００５２】
ＴＭＡシステム１０で複数の画像センサＩＳを採用する場合、これらの画像センサＩＳを少なくとも一つの処理用電子機器ＰＥに電気的に接続してもよい。一例として、図１Ｈには、一つの処理用電子機器ＰＥと一つの画像センサＩＳとが示されている。
【００５３】
ＴＭＡシステム１０は、ビームスプリッタＢＳを備えることができる。ビームスプリッタＢＳは、画像形成光を分離し、この光を少なくとも二つの異なる画像センサＩＳに案内することができる。画像センサＩＳは、一つか二つの波長帯のみを同時に検出可能であってもよい。したがって、ビームスプリッタＢＳを設けることにより、二つの画像センサＩＳに、異なる波長帯を含む光を検出させることができる。例えば、可視光線波長帯から遠赤外線波長帯の光を検出するに当たり、中・遠赤外線波長帯の光を第１画像センサＩＳ１に検出させ、可視光線波長帯および近赤外線波長帯の光を第２画像センサＩＳ２に検出させるようにしてもよい（以下の記載および図１１を参照）。
【００５４】
検出能力の向上に加え、開口絞りＡＳと隣接ミラーとの間に位置するビームスプリッタＢＳにより、コールド絞りＣＳをより長い波長帯チャネルに配置することができると共に、絞りまたは虹彩をより短い波長帯チャネルに配置することができる（図１Ｊを参照）。Ｆ値、即ち画像センサＩＳでの強度を制御するために、絞りまたは虹彩の開口が可変であってもよい。このようにすれば、画像品質が最適化される。
【００５５】
図１Ｉは、ビームスプリッタＢＳを備えるように構成された図１ＡのＴＭＡシステム１０の拡大図である。ビームスプリッタＢＳにより、２つの像平面ＩＰ１及びＩＰ２が形成される。なお、２つの像平面ＩＰ１及びＩＰ２が形成される位置は、各像ＩＭ１及びＩＭ２が形成される位置であると共に、各画像センサＩＳ１及びＩＳ２が配置される位置である。実施形態の一例では、ビームスプリッタＢＳは、波長を選択可能である。このため、異なる波長（波長帯）の光が画像センサＩＳ１及びＩＳ２にそれぞれ搬送されて反射される。この例では、画像センサＩＳ１、ＩＳ２は、入射する特定の波長帯を感知することができるように構成されていてもよい。また、波長の選択性向上に使用される光路上に、少なくとも一つの波長選択フィルタ（図示せず）を配置してもよい。また、図１Ｉには、主光線ＣＲを有する軸方向フィールド光線ＡＦＢが図示されている。
【００５６】
図１Ｊは、図１Ａ及び１ＢのＴＭＡシステム１０の部分拡大図である。本図には、開放絞り値ｆ／３．４で動作するＴＭＡシステムにおいて、開口絞りＡＳと三次ミラーＭ３との間にビームスプリッタＢＳが配置されていることが示されている。この構成により、像平面ＩＰ１及び開口絞りＡＳ１に対応する光路ＯＰ１と、像平面ＩＰ２及び開口絞りＡＳ２に対応する光路ＯＰ２が形成される。図中、二つの画像センサＩＳ１及びＩＳ２は、像平面ＩＰ１及びＩＰ２にそれぞれ配置されており、像ＩＭ１及びＩＭ２をそれぞれ電子的に取り込む。実施形態の一例では、ビームスプリッタＢＳは波長を選択可能である。したがって、画像センサＩＳ１、ＩＳ２にそれぞれ異なる波長（波長帯）が搬送されて反射される。図中、虹彩または絞り等の開口制限部ＡＬＥは、開口絞りＡＳ２に位置している。
【００５７】
図２Ａ、２Ｂは、開放絞り値約ｆ／２で動作する図１Ａ及び１ＢのＴＭＡシステム１０の一例の概略ＹＺ、ＸＺ平面図である。
【００５８】
図２Ｃ及び２Ｄは、図２Ａ及び２ＢのＴＭＡシステム１０に関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図では、可視光線波長帯の実視野がプロットされている。また、図２Ｅ及び２Ｆは、図２Ａ及び２ＢのＴＭＡシステム１０に関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図では、遠赤外線波長帯の実視野がプロットされている。図２Ｃ及び２ＤのＭＴＦのグラフ図では、２５サイクル／ｍｍまでに７０％を超えるコントラストが現れている。また、図２Ｅ及び２ＦのＭＴＦのグラフ図では、１０サイクル／ｍｍまでに６０％を超えるコントラストが現れている。
【００５９】
（第２実施形態）
図３Ａ及び３Ｂは、図１Ａ及び１Ｂと同様であるが、開放絞り値約ｆ／２で動作し、特性増幅のない第２実施形態のＴＭＡシステム１０の概略ＹＺ、ＸＺ平面図である。
【００６０】
【表２】
【００６１】
以下、一次ミラーＭ１に関する係数を示す。
ＣＹ＝−０．００４８７５５６
ＫＹ＝−０．６８６２４７
ＣＸ＝−０．００４４８８２８
ＫＸ＝−０．６５４０８２
ＡＲ＝−１．９０７１６Ｅ−１０
ＢＲ＝−６．７５６８５Ｅ−１８
ＣＲ＝ １．０８１６１Ｅ−２３
ＤＲ＝ １．１６１２２Ｅ−２０
ＡＰ＝ ４．３０８８３Ｅ−０１
ＢＰ＝−２．９０２９８Ｅ＋００
ＣＰ＝−９．１５２１３Ｅ＋００
ＤＰ＝−１．０２１１２Ｅ＋００
【００６２】
以下、二次ミラーＭ２に関する係数を示す。
ＣＹ＝−０．００８８４８１８
ＫＹ＝ ０．００００００
ＣＸ＝−０．００７６８６３１
ＫＸ＝ ０．００００００
ＡＲ＝ ４．４３６１４Ｅ−０７
ＢＲ＝−５．３１２１５Ｅ−１０
ＣＲ＝ ６．６７２６７Ｅ−１４
ＤＲ＝ ４．０２６７０Ｅ−１６
ＡＰ＝ ０．０００００Ｅ＋００
ＢＰ＝−２．１７９０８Ｅ−０１
ＣＰ＝−１．４３１１９Ｅ＋００
ＤＰ＝−４．４７２５７Ｅ−０１
【００６３】
以下、三次ミラーＭ３に関する係数を示す。
ＣＹ＝−０．００７１２８８７
ＫＹ＝ ０．００９３２２
ＣＸ＝−０．００７３２０６７
ＫＸ＝−０．０２７３５５
ＡＲ＝ １．３３８７９Ｅ−０９
ＢＲ＝−４．５２８０２Ｅ−１４
ＣＲ＝ ２．４０９３８Ｅ−２８
ＤＲ＝ ０．０００００Ｅ＋００
ＡＰ＝ １．６１２０１Ｅ−０１
ＢＰ＝ １．８４６３６Ｅ−０１
ＣＰ＝ ２．４５１７２Ｅ＋０２
ＤＰ＝ ０．０００００Ｅ＋００
【００６４】
物体空間ＯＢＳＰにおける物体面のＦＯＶは、水平方向（Ｘ軸方向）が７．６度であり、垂直方向（Ｙ軸方向）が４．８度である。開放絞り値は約ｆ／２であり、有効焦点距離は約９３ｍｍである。
【００６５】
図３Ｃ及び３Ｄは、図３Ａ及び３ＢのＴＭＡシステム１０に関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図では、可視光線波長帯の実視野がプロットされている。また、図３Ｅ及び３Ｆは、図３Ａ及び３ＢのＴＭＡシステム１０に関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図では、遠赤外線波長帯の実視野がプロットされている。図３Ｃ及び３ＤのＭＴＦのグラフ図では、２５サイクル／ｍｍまでに約７０％を超えるコントラストが現れている。また、図３Ｅ及び３ＦのＭＴＦのグラフ図では、１０サイクル／ｍｍまでに６０％を超えるコントラストが現れている。
【００６６】
図３Ｇは、図３Ａ及び３ＢのＴＭＡシステム１０に関して、水平および垂直ＦＯＶの歪曲収差をプロットした図である。本図には、両ＦＯＶに対して歪曲収差が適度に補正されており、歪曲収差が電子後処理によって直ちに補正可能となる簡素な形状特性を有することが示されている。
【００６７】
ここに記載するＴＭＡシステム１０は、物体空間ＯＢＳＰに配置される光源（図示せず）からの光ＬＲが画像センサＩＳに反射して物体空間ＯＢＳＰに戻る（反射光が光源に入射する場合もある）ことを阻止するように構成することができることに利点がある。この効果を「特性増幅」と称する。特性増幅を低減または除去するには、ＴＭＡシステム１０に対して同時にすべての要件、特に、サイズ及びＦ値を満足させることが要求される。ここに記載するＴＭＡシステム１０は、ミラーＭ１〜Ｍ３の少なくとも一つが非回転対称ミラー面形状を呈することにより、こうした厳しい要件を満たすことができる。
【００６８】
図３Ｈは、図３Ａ及び３ＢのＴＭＡシステム１０の部分拡大図である。本図には、画像センサＩＳから反射される光ＲＩＳが開口絞りＡＳを通過しない場合に特性増幅が低減されることが示されている。
【００６９】
（第３実施形態）
図４Ａ及び４Ｂは、図１Ａ及び１Ｂと同様であるが、開放絞り値約ｆ／２．５で動作し、特性増幅がなく、歪曲収差が十分に補正された第３実施形態のＴＭＡシステム１０の概略ＹＺ、ＸＺ平面図である。
【００７０】
【表３】
【００７１】
以下、一次ミラーＭ１に関する係数を示す。
ＣＹ＝−０．００３９４２２０
ＫＹ＝−０．６０７７２２
ＣＸ＝−０．００３６２１４０
ＫＸ＝−０．７１８７６０
ＡＲ＝−１．２８０２８Ｅ−０９
ＢＲ＝−６．５９３８９Ｅ−１７
ＣＲ＝−９．６４４６１Ｅ−２３
ＤＲ＝−６．９５５８２Ｅ−２６
ＡＰ＝ １．１９６８２Ｅ−０２
ＢＰ＝−６．７１１７５Ｅ＋００
ＣＰ＝−９．２５２３０Ｅ＋００
ＤＰ＝−３．０７６０６Ｅ＋００
【００７２】
以下、二次ミラーＭ２に関する係数を示す。
ＣＹ＝−０．００２５３８９９
ＫＹ＝ ０．００００００
ＣＸ＝−０．００８７４０１２
ＫＸ＝ ０．００００００
ＡＲ＝ ２．６５９１３Ｅ−０８
ＢＲ＝−２．４１０５２Ｅ−１０
ＣＲ＝ ４．５９１１７Ｅ−１７
ＤＲ＝−５．３７０８０Ｅ−１８
ＡＰ＝ ０．０００００Ｅ＋００
ＢＰ＝−８．２４６３３Ｅ−０１
ＣＰ＝−３．０８１３５Ｅ＋００
ＤＰ＝−３．８３５５５Ｅ−０１
【００７３】
以下、三次ミラーＭ３に関する係数を示す。
ＣＹ＝−０．００５１９３１３
ＫＹ＝−０．０１３９３８
ＣＸ＝−０．００５３９４４４
ＫＸ＝−０．００５１８９
ＡＲ＝ ２．３９６１８Ｅ−１７
ＢＲ＝ ６．２２８０４Ｅ−２３
ＣＲ＝−３．８６５５４Ｅ−３４
ＤＲ＝ ０．０００００Ｅ＋００
ＡＰ＝−１．８８８０４Ｅ＋０
ＢＰ＝ ６．２９０４３Ｅ＋０２
ＣＰ＝ ７．５７２９８Ｅ＋０３
ＤＰ＝ ０．０００００Ｅ＋００
【００７４】
物体空間ＯＢＳＰにおける物体面のＦＯＶは、水平方向（Ｘ軸方向）が７．６度であり、垂直方向（Ｙ軸方向）が４．８度である。開放絞り値は約ｆ／２．５であり、有効焦点距離は約１１２ｍｍである。
【００７５】
図４Ｃ及び４Ｄは、図４Ａ及び４ＢのＴＭＡシステム１０に関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図では、可視光線波長帯の実視野がプロットされている。また、図４Ｅ及び４Ｆは、図４Ａ及び４ＢのＴＭＡシステム１０に関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図では、遠赤外線波長帯の実視野がプロットされている。図４Ｃ及び４ＤのＭＴＦのグラフ図では、２５サイクル／ｍｍまでに約６０％を超えるコントラストが現れている。また、図３Ｅ及び３ＦのＭＴＦのグラフ図では、１０サイクル／ｍｍまでに５０％を超えるコントラストが現れている。
【００７６】
図４Ｇは、図４Ａ及び４ＢのＴＭＡシステム１０に関して、水平および垂直ＦＯＶの歪曲収差をプロットした図である。歪曲収差は極めて良好に補正されており、歪曲収差は僅かに存在するが、電子後処理で直ちに補正可能な特性（ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）を有する。
【００７７】
図４Ｈは、図４Ａ、４ＢのＴＭＡシステム１０の部分拡大図である。本図には、画像センサＩＳから反射される光ＲＩＳが開口絞りＡＳを通過しない場合に特性増幅が低減されることが示されている。
【００７８】
（第４実施形態）
図５Ａ及び５Ｂは、図１Ａ及び１Ｂと同様であるが、開放絞り値約ｆ／１．８で動作し、コンパクトに最適化され、中・遠赤外線波長帯で機能する第４実施形態のＴＭＡシステム１０の概略ＹＺ、ＸＺ平面図である。
【００７９】
【表４】
【００８０】
以下、一次ミラーＭ１に関する係数を示す。
ＣＹ＝−０．００５８３４６１
ＫＹ＝−０．６４０５２４
ＣＸ＝−０．００５１０１７９
ＫＸ＝−０．５８２８１１
ＡＲ＝−２．７９２２７Ｅ−１０
ＢＲ＝−２．５９８５８Ｅ−１６
ＣＲ＝−１．３９９８０Ｅ−２２
ＤＲ＝ ７．５１２４５Ｅ−２３
ＡＰ＝ ７．３６７８８Ｅ−０１
ＢＰ＝−６．３６３９８Ｅ＋００
ＣＰ＝−１．１２９３２Ｅ＋０１
ＤＰ＝−２．１５７２１Ｅ−０１
【００８１】
以下、二次ミラーＭ２に関する係数を示す。
ＣＹ＝−０．００８７３３６９
ＫＹ＝ ０．００００００
ＣＸ＝−０．００７４６８６０
ＫＸ＝ ０．００００００
ＡＲ＝ ５．９１４４３Ｅ−０８
ＢＲ＝ ４．４６１７８Ｅ−１０
ＣＲ＝−９．７２８０５Ｅ−１４
ＤＲ＝ ９．８４４４２Ｅ−１７
ＡＰ＝ ０．０００００Ｅ＋００
ＢＰ＝−８．７６１０９Ｅ−０１
ＣＰ＝−１．５２６８１Ｅ−０１
ＤＰ＝−２．０６２２４Ｅ−０１
【００８２】
以下、三次ミラーＭ３に関する係数を示す。
ＣＹ＝−０．００８０９２８２
ＫＹ＝−０．０３２３３０
ＣＸ＝−０．００８４４３３３
ＫＸ＝−０．０７０７１４
ＡＲ＝−２．８３０１７Ｅ−１４
ＢＲ＝−３．２７９９７Ｅ−１３
ＣＲ＝ ３．６１３０７Ｅ−３０
ＤＲ＝ ０．０００００Ｅ＋００
ＡＰ＝−７．６０１７７Ｅ＋０１
ＢＰ＝ １．２４６５１Ｅ−０１
ＣＰ＝ １．３７６１７Ｅ＋０３
ＤＰ＝ ０．０００００Ｅ＋００
【００８３】
物体空間ＯＢＳＰにおける物体面のＦＯＶは、水平方向（Ｘ軸方向）が７．６度であり、垂直方向（Ｙ軸方向）が４．８度である。開放絞り値は約ｆ／１．８であり、有効焦点距離は約８６ｍｍである。
【００８４】
図５Ｃ及び５Ｄは、図５Ａ及び５ＢのＴＭＡシステム１０に関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図では、中赤外線波長帯の実視野がプロットされている。また、図５Ｅ及び５Ｆは、図５Ａ及び５ＢのＴＭＡシステム１０に関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図では、遠赤外線波長帯の実視野がプロットされている。図５Ｃ及び５ＤのＭＴＦのグラフ図では、１０サイクル／ｍｍまでに約８０％を超えるコントラストが現れている。また、図５Ｅ及び５ＦのＭＴＦのグラフ図では、１０サイクル／ｍｍまでに６０％を超えるコントラストが現れている。
【００８５】
図５Ｇは、図５Ａ及び５ＢのＴＭＡシステム１０に関して、水平および垂直ＦＯＶの歪曲収差をプロットした図である。本図には、両ＦＯＶに対して歪曲収差が適度に補正されており、歪曲収差が電子後処理によって直ちに補正可能な簡素な形状特性を有することが示されている。
【００８６】
上述の実施形態には４つの光学設計が含まれる。本発明の範囲内に含まれる、他の開放絞り、他のＦＯＶ、他の焦点距離、異なる数の非回転対称ミラー、異なる画素サイズを有する他の画像センサのサイズ、他の少なくとも一つの波長帯を備えるＴＭＡシステム１０は、ここに記載する設計原理を利用し、性能基準を満たす設計を得るために従前の光学設計最適化を適用することにより実現可能であることを理解すべきである。このようにして、特定の実施形態例に関連する上述のすべての利点を有する広義のＴＭＡシステム１０を実現することができる。
【００８７】
当業者には明白であるが、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、本発明に対して様々な修正及び変更を加えることができる。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびその均等範囲内において本発明の修正および変更を包含する。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射光学システムに関し、特に、少なくとも一つの非回転対称ミラーを備える３ミラー収差補正システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
光学結像システム、とりわけ対物光学システムは、物体空間からの光（放射線）を集光し、この光を像空間、即ち、「実像が形成されると共にその実像が検出器により検知される空間」に搬送することにより、視認される光景に関する情報を提供する。多くの対物光学システムは、所定の波長域（波長帯）で動作するが、複数の波長帯で結像することにより、物体空間に関する情報をさらに提供することができる。複数の光波長帯を感知可能な高性能電子画像センサが登場したことにより、こうした複数波長帯用の対物光学システムが実現される。しかし、対物光学システムは複数の波長帯に対して十分な補正が必要となるため、対物光学システムには、さらなる要求がなされている。
【０００３】
光を十分に透過させることができると共に収差、特に色収差を補正することができる屈折材料を入手することが困難であることから、複数の波長帯において結像能力を有する屈折対物光学システムの設計が難しくなっている。その他、温度上昇・下降時に画像の焦点ぼやけ及び収差補正の損失を引き起こす管理システムの熱感度も問題となっている。
【０００４】
反射対物光学システムには、ミラーが光の透過に依存せず、色収差がなく、熱感度が低い傾向にあるという利点がある。３つのミラーを採用する種類の反射対物光学システムは、「３ミラー収差補正システム」または「ＴＭＡ」と呼ばれる。ＴＭＡのミラーは、光が反射対物光学システムを４方向に横断することにより、結像した光景を鮮明にする、即ち、ビネット（口径食）のない状態にするように構成されている。
【０００５】
これまでに設計されているＴＭＡは、一平面上で互いに偏心且つ傾斜する複数の回転対称ミラーを備えている。しかし、従前のＴＭＡは、コンパクト性に欠け、Ｆ値（焦点比）が比較的遅く（大きく）、収差補正が最低限となっている。さらに、特性増幅（ｓｉｇｎａｔｕｒｅ ａｕｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ）がなく、さらに／または、歪みが小さい等の他の設計要件を満たすためには、開口を十分に緩めて高性能化する必要がある。さらに、より短い波長（例えば、可視波長帯）での動作がＴＭＡに要求される場合、コンパクトな設計では、収差の補正がより難しくなる。ミラーをさらに追加することはできるが、その代わり、より複雑になり、場合によっては、大きく重くなってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第４，２６５，５１０号明細書
【特許文献２】米国特許第４，８３４，５１７号明細書
【特許文献３】米国特許第６，０１６，２２０号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
単一または複数の波長帯での動作において、少なくとも一つの最終像平面で高性能に結像する改良型ＴＭＡシステムが開示される。残像収差を最小化するために、少なくとも一つのミラーが非回転対称とされる。コールド絞り位置へのアクセスを提供し、複数像平面において複数の画像センサを実現するビームスプリッタの位置へのアクセスを提供し、特性増幅を制御し、「単体のみで優れた歪み補正」または「取り込まれたデジタル画像の電子後処理によって補正可能な形式の歪み補正」を有するように、ＴＭＡシステムを配置してもよい。
【０００８】
本発明の一態様は、少なくとも一つの波長帯において物体空間中の物体の第１像平面に像を形成する反射対物光学システムに関する。この反射対物光学システムは、第１、第２、第３ミラーを備える。これらのミラーは、ＴＭＡ構成で配置され、第１、第２、第３反射面をそれぞれ有し、第１、第２、第３反射面の順に物体からの光を像に反射する。第１ミラーと第３ミラーとの間に少なくとも一つの中間像位置が存在する。中間像位置には、少なくとも一つの中間像が形成される。また、第１、第２、第３反射面の少なくとも一つは、非回転対称である。一例では、少なくとも一つの非回転対称面は、対応する少なくとも一つの電気鋳造ミラーにより実現される。
上述の反射対物光学システムでは、ミラーの少なくとも一つは被電気鋳造ミラーであることが好ましい。また、少なくとも一つの非回転対称反射面は、少なくとも一つの電気鋳造ミラー上に形成されている。
上述の反射対物光学システムは、第１像平面と第３ミラーとの間に開口絞りをさらに備えることが好ましい。
上述の反射対物光学システムでは、軸方向フィールド光線の主光線は、第１像平面に実質的に垂直であることが好ましい。
上述の反射対物光学システムでは、３つの反射面はすべて非回転対称であることが好ましい。
上述の反射対物光学システムは、開口絞りの位置に配置されるコールド絞りをさらに備えることが好ましい。
上述の反射対物光学システムでは、少なくとも一つの反射面はトロイダル形状である。
上述の反射対物光学システムでは、少なくとも一つの波長帯には、４５０ｎｍから６５０ｎｍの範囲の可視光線波長帯、７００ｎｍから１２００ｎｍの範囲の近赤外線波長帯、３ミクロンから５ミクロンの範囲の中赤外線波長帯、８ミクロンから１２ミクロンの範囲の遠赤外線波長帯、２０ｎｍから４００ｎｍの範囲の紫外線波長帯、１３．５ｎｍの波長を含む極端紫外光波長帯、１３．５ｎｍ未満の波長を有するＸ線波長帯の一つが含まれることが好ましい。
上述の反射対物光学システムでは、少なくとも一つの波長帯には、可視光線波長帯、近赤外線波長帯、中赤外線波長帯、遠赤外線波長帯から選択される２つ以上の波長帯が含まれることが好ましい。
上述の反射対物光学システムは、少なくとも一つの中間像の位置に実質的に配置される視野絞りをさらに備えることが好ましい。
上述の反射対物光学システムは、ビームスプリッタ、第１画像センサ、第２画像センサをさらに備えることが好ましい。ビームスプリッタは、第１像平面と開口絞りとの間、または、開口絞りと第３ミラーとの間に配置される。また、ビームスプリッタは、第２像平面を形成する。第１画像センサおよび第２画像センサは、第１像平面および第２像平面にそれぞれ配置されている。
上述の反射対物光学システムは、第１画像センサ及び処理用電子機器をさらに備えることが好ましい。第１画像センサは、第１像平面に配置される。処理用電子機器は、第１画像センサに電気的に接続されている。
上述の反射対物光学システムは、ビームスプリッタ及び第２画像センサをさらに備えることが好ましい。ビームスプリッタは、第１像平面と第３ミラーとの間に配置されている。また、ビームスプリッタは、第２像平面を形成するように構成されている。第２画像センサは、第２像平面に配置される。また、第２画像センサは、処理用電子機器に電気的に接続されている。
【０００９】
本発明の他の態様は、第１、第２、第３反射面をそれぞれ有する第１、第２、第３ミラーを備える反射対物光学システムである。これらのミラーはＴＭＡ構成で配置される。そして、第１、第２、第３ミラーの少なくとも二つはトロイダル面を有する。一例では、３つのミラーはすべてトロイダル面である。電気鋳造ミラーを用いることにより二以上のトロイダル面を支持してもよい。
上述の反射対物光学システムでは、少なくとも二つのトロイダル面は電気鋳造シェルのそれぞれによって支持されることが好ましい。
上述の反射対物光学システムは、ビームスプリッタをさらに備えることが好ましい。ビームスプリッタは、異なる波長帯に対応する第１像平面と第２像平面とが反射対物光学システムに含まれるように配置される。
上述の反射対物光学システムは、第１画像センサ、第２画像センサ及び処理用電子機器をさらに備えることが好ましい。ここで、第１画像センサは、第１像平面に配置されている。第２画像センサは、第２像平面に配置されている。処理用電子機器は、第１画像センサ及び第２画像センサに電気的に接続されている。
上述の反射対物光学システムは、視野絞り及びコールド絞りの少なくとも一つをさらに備えることが好ましい。ここで、視野絞りは、実質的に中間像の位置に配置される。コールド絞りは、第３ミラーの下流の開口絞りの位置に配置される。
上述の反射対物光学システムは、可視光線波長帯および少なくとも一つの赤外線波長帯ならびに少なくとも二つの異なる赤外線波長帯の少なくとも一つを結像するように構成されることが好ましい。
上述の反射対物光学システムでは、３つのミラーはすべて電気鋳造ミラーであることが好ましい。
【００１０】
本発明のさらなる特徴および利点は、下記の詳細な説明（発明を実施するための形態）に明記されている。また、それらの一部は、詳細な説明の記載内容から当業者にとって直ちに明白となるか、下記の詳細な説明、特許請求の範囲、添付図面を含む、ここに記載された発明を実施することによって認識される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】開放絞り値約ｆ／１．３で動作する第１実施形態のＴＭＡシステムの概略ＹＺ平面図である。
【図１Ｂ】開放絞り値約ｆ／１．３で動作する第１実施形態のＴＭＡシステムの概略ＸＺ平面図である。
【図１Ｃ】図１Ａ、１ＢのＴＭＡシステムに関する変調伝達関数（ＭＴＦ）のグラフ図である。このグラフ図では、可視光線波長帯の分解能（即ち、サイクル／ｍｍ表示の空間周波数）に対して実視野（ＦＯＶ）の変調（即ち、％表示のコントラスト）がプロットされている。
【図１Ｄ】図１Ａ，１ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図では、可視光線波長帯の分解能に対してＦＯＶの変調がプロットされている。
【図１Ｅ】図１Ａ、１ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、遠赤外線波長帯の実視野に関する。
【図１Ｆ】図１Ａ、１ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、遠赤外線波長帯の実視野に関する。
【図１Ｇ】図１Ａ、１ＢのＴＭＡシステムに関するグラフ図である。このグラフ図では、水平および垂直ＦＯＶの歪曲収差がプロットされている。
【図１Ｈ】図１Ａ、１ＢのＴＭＡシステムの部分拡大図である。本図には、開口絞りに位置するコールド絞りが示されている。
【図１Ｉ】図１Ａ、１ＢのＴＭＡシステムの部分拡大図である。本図には、開口絞りの下流に位置し、第１、第２画像センサがそれぞれ配置される第１、第２像平面を形成するビームスプリッタが示されている。
【図１Ｊ】図１Ａ，１ＢのＴＭＡシステムの部分拡大図である。本図には、開放絞り値約ｆ／３．４で動作するＴＭＡにおいて、開口絞りと隣接ミラーとの間にビームスプリッタが位置することが示されている。
【図２Ａ】図１Ａ、１ＢのＴＭＡシステムの一例の概略ＹＺ平面図である。ただし、このＴＭＡシステムは、開放絞り値約ｆ／２で動作する。
【図２Ｂ】図１Ａ，１ＢのＴＭＡシステムの一例の概略ＸＺ平面図である。ただし、このＴＭＡシステムは、開放絞り値約ｆ／２で動作する。
【図２Ｃ】図２Ａ、２ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、可視光線波長帯の実視野に関する。
【図２Ｄ】図２Ａ、２ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、可視光線波長帯の実視野に関する。
【図２Ｅ】図２Ａ、２ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、遠赤外線波長帯の実視野に関する。
【図２Ｆ】図２Ａ、２ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、遠赤外線波長帯の実視野に関する。
【図３Ａ】開放絞り値約ｆ／２で動作し、特性増幅のない第２実施形態のＴＭＡシステムの概略ＹＺ平面図である。
【図３Ｂ】開放絞り値約ｆ／２で動作し、特性増幅のない第２実施形態のＴＭＡシステムの概略ＸＺ平面図である。
【図３Ｃ】図３Ａ、３ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、可視光線波長帯の実視野に関する。
【図３Ｄ】図３Ａ，３ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、可視光線波長帯の実視野に関する。
【図３Ｅ】図３Ａ，３ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、遠赤外線波長帯の実視野に関する。
【図３Ｆ】図３Ａ，３ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、遠赤外線波長帯の実視野に関する。
【図３Ｇ】図３Ａ、３ＢのＴＭＡシステムに関するグラフ図である。このグラフ図では、水平および垂直ＦＯＶの歪曲収差がプロットされている。
【図３Ｈ】図３Ａ、３ＢのＴＭＡシステムの部分拡大図である。本図には、画像センサから反射される光が開口絞りを通過しないことが示されている。
【図４Ａ】開放絞り値約ｆ／２．５で動作し、特性増幅がなく、歪曲収差が十分補正された第３実施形態のＴＭＡシステムの概略ＹＺ平面図である。
【図４Ｂ】開放絞り値約ｆ／２．５で動作し、特性増幅がなく、歪曲収差が十分補正された第３実施形態のＴＭＡシステムの概略ＸＺ平面図である。
【図４Ｃ】図４Ａ、４ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、可視光線波長帯の実視野に関する。
【図４Ｄ】図４Ａ、４ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、可視光線波長帯の実視野に関する。
【図４Ｅ】図４Ａ、４ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、遠赤外線波長帯の実視野に関する。
【図４Ｆ】図４Ａ、４ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、遠赤外線波長帯の実視野に関する。
【図４Ｇ】図４Ａ、４ＢのＴＭＡシステムに関するグラフ図である。このグラフ図では、水平および垂直ＦＯＶの歪曲収差がプロットされている。
【図４Ｈ】図４Ａ、４ＢのＴＭＡシステムの部分拡大図である。本図には、画像センサから反射される光が開口絞りを通過しないことが示されている。
【図５Ａ】開放絞り値約ｆ／１．８で動作し、コンパクトに最適化され、中・遠赤外線波長帯で実行する第４実施形態のＴＭＡシステムの概略ＹＺ平面図である。
【図５Ｂ】開放絞り値約ｆ／１．８で動作し、コンパクトに最適化され、中・遠赤外線波長帯で実行する第４実施形態のＴＭＡシステムの概略ＸＺ平面図である。
【図５Ｃ】図５Ａ、５ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、中赤外線波長帯の実視野に関する。
【図５Ｄ】図５Ａ、５ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、中赤外線波長帯の実視野に関する。
【図５Ｅ】図５Ａ、５ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、遠赤外線波長帯の実視野に関する。
【図５Ｆ】図５Ａ、５ＢのＴＭＡシステムに関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図は、遠赤外線波長帯の実視野に関する。
【図５Ｇ】図５Ａ、５ＢのＴＭＡシステムに関するグラフ図である。このグラフ図では、水平および垂直ＦＯＶの歪曲収差がプロットされている。
【００１２】
図中の様々な構成要素は単に図示されたに過ぎず、必ずしも実際の縮尺通りに図示されている訳ではない。これらの構成要素のうち、ある部分は誇張して図示され、ある部分は最小化して図示されている場合もある。本図面は、当業者によって理解され、適切に実行され得る本発明の実施形態の一例を図示することを意図するものである。図中、同様の部品および要素は、同様の参照番号および符号により特定される。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、反射対物光学システムに関し、特に、少なくとも一つの非回転対称ミラーを備えるＴＭＡに関する。
【００１４】
一例では、少なくとも一つの非回転対称ミラーは、電気鋳造ミラーである。即ち、反射面は、電気鋳造一体化（モノリシック）構造によって、所定の非回転対称な表面形状を有するように構成された剛体シェル状に支持されている。電気鋳造ミラーの表面形状は、対応する形状のマンドレルによって形成される。このため、電気鋳造ミラーの表面形状は、一旦マンドレルを適切に加工すれば、安価に複製可能である。少なくとも一つの電気鋳造ミラーを形成するために任意の電気鋳造可能材料を使用してもよいが、一例では、被電気鋳造シェルは、ニッケルまたはニッケル合金から形成される。回転対称ミラーは、電気鋳造ミラーでもよいし、従前のガラスミラーでもよい。
【００１５】
他の例では、少なくとも一つの非回転対称ミラーは、ダイヤモンド旋盤加工等の従前の手段でも形成可能である。ダイヤモンド旋盤加工により非回転対称ミラーの形成を検討する際、これを制限する要因となり得るのは、適切なダイヤモンド旋盤加工機（例えば、５軸加工機）の入手とその費用である。さらに、適切な表面形状の加工が可能だとしても、従前のガラスミラーでは重量とコンパクト性の要件を満たすことは容易ではない。
【００１６】
さらに、従前のダイヤモンド旋盤加工プロセスでは、「マスタ」に依存せずにミラー面が加工される。したがって、加工された各ミラー面は、微視的には固有であり、相当な後処理を実行して表面形状要件を満たす必要がある。したがって、大抵の場合、少なくとも一つの非回転対称ミラーを形成するに当たって電気鋳造技術を利用すれば、費用対効果が高く効率的であると考えられる。
【００１７】
本発明の実施形態の例は、表１、２、３及び４に掲載の様々な設計例と、これらの表および以下に含まれるレンズ設計規定データとを利用して記載される。なお、レンズ設計規定データは、オプティカル・リサーチ・アソシエイツ社（米国カリフォルニア州パサデナ）の商業利用可能な光学設計ソフトウェア「ＣＯＤＥ Ｖ（登録商標）」により生成したデータから抽出したものである。下記表に記載の全ての実施形態の例では、３つの非回転対称ミラーが採用されている。
【００１８】
以下に示す全てのデータは、摂氏２５度（華氏７７度）及び標準気圧（７６０ｍｍＨｇ）の条件下で得られる。
【００１９】
ここに記載の実施形態の例では、複数の短波長帯と相当な波長帯域に及ぶ複数の波長帯とで使用する大口径（ｆａｓｔ ａｐｅｒｔｕｒｅ）において、所望の複数の空間周波数で高コントラストが得られる。
【００２０】
ここで言及する様々な波長帯は、以下の近似波長帯域を有することができる。Ｘ線波長帯は、１３．５ｎｍ未満の波長を有する。ＥＵＶ波長帯は、１３．５ｎｍの波長を含む。紫外線波長帯は、約２０ｎｍから約４００ｎｍの波長を有する。可視波長帯は、約４５０ｎｍから約６５０ｎｍの波長を有する。近赤外線波長帯は、約７００ｎｍから１２００ｎｍの波長を有する。中赤外線波長帯は、約３０００ｎｍから約５０００ｎｍの波長を有する。遠赤外線波長帯は、約８０００ｎｍから約１２０００ｎｍの波長を有する。一例では、波長帯全域における最短波長に対する最長波長の比は、約２７：１（例えば、２６．７：１）である。
【００２１】
所望の空間波長や、波長帯（中赤外線波長帯、遠赤外線波長帯等）のより長い波長において回折依存によるコントラストの損失を低減するためには、例えば、Ｆ値が約４未満の大口径が必要である。ここに開示する反射対物光学システムは、少なくとも一つの非回転対称ミラーを利用することによりコンパクトなシステムでこれを達成する。ここで、少なくとも一つの非回転対称ミラーは、例えば、他のミラーに対して偏心または傾斜する等、軸外しされた状態で配置されてもかまわない。
【００２２】
ここに記載する反射対物光学システムは、例えば、米国特許第４，２６５，５１０号、第４，８３４，５１７号、第６，０１６，２２０号に記載の従前のＴＭＡシステムの改良とみなしてもよい。なお、当該米国特許を本発明に援用する。
【００２３】
ここに開示するＴＭＡシステムは、コンパクトに形成可能であり、大口径を使用して、少なくとも一つの波長帯の所望の空間波長で高コントラストを提供し、軽量化等の他の有用な特徴を提供する。これは、とりわけ少なくとも一つの電気鋳造ミラーを使用する場合に該当する。
【００２４】
ここに記載するＴＭＡの実施形態の例では、軸方向フィールド光線ＡＦＢの主光線ＣＲが、像平面ＩＰ（ひいては当該平面上に配置された画像センサＩＳ）に直入射（または、非直入射）すると共に、画像センサＩＳの表面が入射光の光学軸に対して傾斜しない（または傾斜する）ように（図１Ｉ及び下記の記載を参照）構成される。
【００２５】
以下、「下流」および「上流」との用語は、入射光ＬＲの方向について言及するものである。即ち、入射光ＬＲは、上流から下流に向かって「流れる」。したがって、第２光学要素が第１光学要素の下流に位置する場合、第１光学要素は、第２光学要素に先立って入射光ＬＲを受光する。つまり、物体空間は像空間の上流に位置する。
【００２６】
（実施形態１）
図１Ａは、開放絞り値約ｆ／１．３で動作する第１実施形態に係るＴＭＡシステム１０のＹＺ平面（図１Ａ）の概略図である。また、図１Ｂは、開放絞り値約ｆ／１．３で動作する第１実施形態に係るＴＭＡシステム１０のＸＺ平面の概略図である。ＴＭＡシステム１０は、反射面ＭＳ１を有する第１（一次）ミラーＭ１、反射面ＭＳ２を有する第２（二次）ミラーＭ２、および、反射面ＭＳ３を有する第３（三次）ミラーＭ３を備えている。ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３は、ＹＺ平面上で軸外しされて偏心するＴＭＡ構成で配置されている。
【００２７】
図中、光線ＬＲは、左から右に物体空間ＯＢＳＰから進行し、先ず一次ミラーＭ１に入射することが示されている。一次ミラーＭ１は光線ＬＲを二次ミラーＭ２に反射し、二次ミラーＭ２は光線ＬＲを三次ミラーＭ３に反射する。三次ミラーＭ３は、光線ＬＲを像空間ＩＭＳＰの像平面ＩＰに案内し、像平面ＩＰ上に像ＩＭを形成する。開口絞りＡＳは、三次ミラーＭ３と像平面ＩＰとの間に位置する。
【００２８】
図示される通り、入射瞳は、一次ミラーＭ１の上流に位置する物体空間ＯＢＳＰで軸方向の光線が交差する入射瞳位置ＥＰＬに配置されている。しかし、これは近軸位置であり、瞳の収差（主に歪曲）によって、入射瞳が入射瞳位置ＥＰＬにおける平面に完璧に位置することはない。とは言うものの、入射瞳の収差がＴＭＡシステム１０の結像性能に対して実質的に影響を与えることはない。
【００２９】
中間像ＩＩＭは、ミラーＭ１及びＭ２の間に形成される（図１Ａ参照）。中間像ＩＩＭを設けることは有益である。中間像ＩＩＭを設けることにより、物体空間ＯＢＳＰにおける光源（図示せず）を起源とし（または起源とせず）、疑似経路に沿って像平面ＩＰ、ひいては平面ＩＰ上の画像センサＩＳに到達する不要な光を遮蔽することができるからである。なお、ミラーＭ１〜Ｍ３の間またはその周辺に開口または複数のバッフルを導入するか、あるいは、中間像ＩＩＭに視野絞りを配置することにより、疑似光を完全に（または部分的に）遮蔽してもよい。光バッフルの効果は、中間像ＩＩＭのアクセスのし易さに依存する。場合によっては（例えば、実施形態１、４）、中間像ＩＩＭの底部まで延在するバッフルによって光路がぼやけ、中間像ＩＩＭの上部にしか位置することができないので、部分的な効果のみ得られることになる。また、場合によっては（例えば、実施形態２、３）、こうした光路のぼやけが発生せず、バッフルを完全に利用することができる。
【００３０】
詳細については後述するが（例えば、図１Ｈを参照）、一例では、像ＩＭを検出するために、画像センサＩＳが像平面ＩＰ上に配置される。比較的長い波長を有する少なくとも一つの波長帯（中赤外線波長帯、遠赤外線波長帯など）で結像する場合、ここに記載するＴＭＡシステム１０は、光がＴＭＡシステム１０に入射して通過し、少なくとも一つの画像センサＩＳに到達する際に、光のぼやけまたはビネットを発生させないように構成することができる点で有利である。なお、この点は、より長い波長において、ＴＭＡシステム１０の熱感度および熱分解能を高めるのに有用である。
【００３１】
より長い波長帯（例えば、「３μｍから５μｍの中赤外線波長帯」および「８μｍから１２μｍの遠赤外線波長帯」の一方または両方の波長帯）で光を検出する画像センサＩＳの感度を高めるために、画像センサＩＳの画素サイズは、約２５μｍ等、比較的大きいサイズであってもよい。また、より短い波長帯（例えば、「４５０ｎｍから６５０ｎｍの可視光線波長帯」および「７００ｎｍから１２００ｎｍの近赤外線波長帯」の一方または両方の波長帯）で光を検出する画像センサＩＳの場合、画像センサＩＳの画素サイズは、検出感度に重大な影響を与えない小さなサイズ（約１０ミクロン等）であってもよい。
【００３２】
したがって、一例では、約１０．１ｍｍ（縦）×１５．２ｍｍ（横）のサイズを有する像ＩＭの場合、長い波長帯の画像センサＩＳの画素サイズは約６００ピクセルであってもよく、短い波長帯の画素センサＩＳの画素サイズは約１５００ピクセルであってもよい。１０ミクロンのピクセルサイズには、約２５サイクル／ｍｍの空間周波数で、比較的高いコントラスト（変調）が必要となる。また、２５ミクロンのピクセルサイズには、１０サイクル／ｍｍのより緩和された空間周波数で、比較的高いコントラストが必要となる。
【００３３】
ＴＭＡシステム１０では、一次ミラーＭ１、二次ミラーＭ２、三次ミラーＭ３の少なくとも一つが非回転対称である。実施形態の一例では、例えば、米国特許出願公報第２００９／０３１４６４６号に記載の電気鋳造プロセスにより、少なくとも一つの非回転対称ミラーが形成される。なお、当該特許出願公報は本出願に援用される。
【００３４】
以下の表において、ＳＲＦは「表面」の短縮表記であり、ＡＳは「開口絞り」の短縮表記である。また、以下で使用する表記「Ｅ−ｎ」は「１０−ｎ」の短縮表記である。
【００３５】
以下の表１では、第１実施形態に係るＴＭＡシステム１０のレンズ設計規定の一例が説明される。
【００３６】
【表１】
【００３７】
非回転対称ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３の表面プロファイルは、下記の従前の等式により規定される。
【００３８】
Ｚ＝α／β＋γ＋δ
このとき、
α＝（ＣＸ）Ｘ２＋（ＣＹ）Ｙ２
β＝１＋（１−（１＋ＫＸ）（ＣＸ）２Ｘ２−（１＋ＫＹ）（ＣＹ）２Ｙ２）１/２
γ＝ＡＲ（（１−ＡＰ）Ｘ２＋（１＋ＡＰ）Ｙ２）２＋ＢＲ（（１−ＢＲ）Ｘ２＋（１＋ＢＰ）Ｙ２）３
δ＝ＣＲ（（１−ＣＰ）Ｘ２＋（１＋ＣＰ）Ｙ２）４＋ＤＲ（（１−ＤＰ）Ｘ２＋（１＋ＤＰ）Ｙ２）５
【００３９】
ここで、ＲＸ及びＲＹは、それぞれＸ軸およびＹ軸周りの所与の表面の曲率半径である。また、ＣＸ＝１／ＲＸであり、ＣＹ＝１／ＲＹであり、ＫＸ、ＫＹ、ＡＲ、ＡＰ、ＢＲ、ＢＰ、ＣＲ、ＣＰ、ＤＲ及びＤＰは、多項係数である。また、Ｚは、所与のＸ及びＹ値に対する表面プロファイルの位置であり、表面の極（即ち、軸方向頂点）からの光学軸に沿って測定される。表面位置は参照表面に対して与えられ、このとき、ＸＰ、ＹＰ及びＺＰはそれぞれＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向における位置距離である。また、ＸＲ、ＹＲ及びＺＲは、それぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸周りの回転角である。
【００４０】
以下、一次ミラーＭ１に関する係数を示す。
ＣＹ＝−０．００４９５８１４
ＫＹ＝−０．６７４４８５
ＣＸ＝−０．００４５０２９３
ＫＸ＝−０．６３６６３１
ＡＲ＝−５．４５８７４Ｅ−１１
ＢＲ＝−７．９４７８６Ｅ−１７
ＣＲ＝−５．８４９５５Ｅ−２３
ＤＲ＝ １．２５９１４Ｅ−２１
ＡＰ＝ ８．２７３９９Ｅ−０２
ＢＰ＝−４．７１３８３Ｅ＋００
ＣＰ＝−７．９１０５２Ｅ＋００
ＤＰ＝−１．１１５５９Ｅ＋００
【００４１】
以下、二次ミラーＭ２に関する係数を示す。
ＣＹ＝−０．００６８４４３３
ＫＹ＝ ０．００００００
ＣＸ＝−０．００７９１９０３
ＫＸ＝ ０．００００００
ＡＲ＝ ９．４９１９０Ｅ−０８
ＢＲ＝−３．９２０３２Ｅ−１０
ＣＲ＝ ９．２５８７１Ｅ−１３
ＤＲ＝ １．９０２９０Ｅ−１６
ＡＰ＝ ０．０００００Ｅ＋００
ＢＰ＝−２．８８８３７Ｅ−０１
ＣＰ＝−１．２０８４３Ｅ＋００
ＤＰ＝−４．６９７６７Ｅ−０１
【００４２】
以下、三次ミラーＭ３に関する係数を示す。
ＣＹ＝−０．００７１１５３３
ＫＹ＝−０．０１４２２２
ＣＸ＝−０．００７３３５０７
ＫＸ＝−０．０３５２３８
ＡＲ＝ ２．２５１５６Ｅ−１３
ＢＲ＝−７．１６１５５Ｅ−１４
ＣＲ＝ ７．６２８１６Ｅ−２８
ＤＲ＝ ０．０００００Ｅ＋００
ＡＰ＝ １．１０４３１Ｅ＋０１
ＢＰ＝ ２．２８２６２Ｅ−０１
ＣＰ＝ ２．４４８８３Ｅ＋０２
ＤＰ＝ ０．０００００Ｅ＋００
【００４３】
ミラーＭ１〜Ｍ３の非回転対称面形状の一例は、「ねじれ非球面」または「アナモルフィック非球面」と称してもよい。実施形態の例では、少なくとも一つの非回転対称面は、表面の非回転対称的性の要因となる少なくとも一つの交差項を有する一般的な多項式により表される。
【００４４】
物体空間ＯＢＳＰの物体面の実視野（ＦＯＶ）は、水平方向（Ｘ軸方向）が７．６度であり、垂直方向（Ｙ軸方向）が４．８度である。開放絞り値は約ｆ／１．３であり、有効焦点距離は約９８ｍｍである。
【００４５】
図１Ｃ及び１Ｄは、図１Ａ及び１ＢのＴＭＡシステム１０に関する変調伝達関数（ＭＴＦ）のグラフ図である。このグラフ図では、可視光線波長帯の分解能（即ち、サイクル／ｍｍ表示の空間周波数）に対してＦＯＶに対する変調（即ち、％表示のコントラスト）がプロットされている。また、図１Ｅ及び１Ｆは、図１Ａ及び１ＢのＴＭＡシステム１０に関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図では、遠赤外線波長帯の実視野がプロットされている。
【００４６】
上述の通り、画像センサの画素サイズが１０ミクロンである場合、約２５サイクル／ｍｍの空間周波数で比較的高いコントラスト（変調）が必要となり、画素サイズが２５ミクロンである場合、１０サイクル／ｍｍの空間周波数で比較的高いコントラストが必要となる。なお、図１Ｃ及び１ＤのＭＴＦのグラフ図には、最大２５サイクル／ｍｍの空間周波数で変調が良好（５０％以上）であることが示されており、図１Ｅ及び１Ｆでは、最大１０サイクル／ｍｍで変調が良好（７０％以上）であることが示されている。
【００４７】
ＴＭＡシステム１０は、光学歪曲収差を低減するように構成されてもよく、少なくとも電子後処理で補正可能な形態（特性）の歪曲収差を有するように構成されてもよい。光学歪曲収差は、画像センサＩＳにより光が検出された後に、画像センサＩＳの出力信号を電子的に変化させることによって補正されてもよい。かかる場合、光学歪曲収差が低減されれば、複雑なＴＭＡシステム１０全体を簡素化（例えば、軽量化）することができる。
【００４８】
図１Ｇは、図１Ａ及び１ＢのＴＭＡシステムに関して、水平および垂直ＦＯＶの歪曲収差をプロットした図である。図１Ｇでは、両ＦＯＶに対して歪曲収差が適度に補正されており、歪曲収差が電子後処理によって直ちに補正可能となる簡素な形状特性を有することが示されている。
【００４９】
ここに記載するＴＭＡシステム１０は、ビネットなく直ちにコールド絞りＣＳを開口絞りＡＳの位置に挿入可能であることに利点がある。コールド絞りＣＳは、画像センサＩＳに到達する不要な光を低減する。これにより、ＴＭＡシステム１０の熱感度、延いては、中・遠赤外線波長帯などのより長い波長での熱分解能を向上させることができる。
【００５０】
図１Ｈは、図１Ａ及び１ＢのＴＭＡシステム１０の部分拡大図である。本図には、開口絞りＡＳに位置するコールド絞りＣＳが示されている。また、図１Ｈには、像平面ＩＰに配置される画像センサＩＳが示されている。一例では、画像センサＩＳは、複数の波長帯で放射線（光）を検出可能なマルチバンド電子画像センサである。実施形態の一例では、ＴＭＡシステム１０は、処理用電子機器ＰＥを備える。処理用電子機器ＰＥは、画像センサＩＳに電気的に接続されており、像平面ＩＰ上の光の検出に従って、画像センサＩＳからの情報（即ち、画像センサＩＳから送信される電子信号ＳＩによって具現化される情報）を処理するように構成されている。
【００５１】
実施形態の一例では、処理用電子機器ＰＥは、取込み画像ＩＭの画像処理を実行するように構成されている。例えば、処理用電子機器ＰＥは、画像の歪曲収差を補正するように構成することができる。したがって、実施形態の一例では、歪曲収差の形状が電子補正可能な程度に十分簡素である限り、歪曲収差の大きさを高度に（例えば、約１０％まで）補正する必要はない。
【００５２】
ＴＭＡシステム１０で複数の画像センサＩＳを採用する場合、これらの画像センサＩＳを少なくとも一つの処理用電子機器ＰＥに電気的に接続してもよい。一例として、図１Ｈには、一つの処理用電子機器ＰＥと一つの画像センサＩＳとが示されている。
【００５３】
ＴＭＡシステム１０は、ビームスプリッタＢＳを備えることができる。ビームスプリッタＢＳは、画像形成光を分離し、この光を少なくとも二つの異なる画像センサＩＳに案内することができる。画像センサＩＳは、一つか二つの波長帯のみを同時に検出可能であってもよい。したがって、ビームスプリッタＢＳを設けることにより、二つの画像センサＩＳに、異なる波長帯を含む光を検出させることができる。例えば、可視光線波長帯から遠赤外線波長帯の光を検出するに当たり、中・遠赤外線波長帯の光を第１画像センサＩＳ１に検出させ、可視光線波長帯および近赤外線波長帯の光を第２画像センサＩＳ２に検出させるようにしてもよい（以下の記載および図１１を参照）。
【００５４】
検出能力の向上に加え、開口絞りＡＳと隣接ミラーとの間に位置するビームスプリッタＢＳにより、コールド絞りＣＳをより長い波長帯チャネルに配置することができると共に、絞りまたは虹彩をより短い波長帯チャネルに配置することができる（図１Ｊを参照）。Ｆ値、即ち画像センサＩＳでの強度を制御するために、絞りまたは虹彩の開口が可変であってもよい。このようにすれば、画像品質が最適化される。
【００５５】
図１Ｉは、ビームスプリッタＢＳを備えるように構成された図１ＡのＴＭＡシステム１０の拡大図である。ビームスプリッタＢＳにより、２つの像平面ＩＰ１及びＩＰ２が形成される。なお、２つの像平面ＩＰ１及びＩＰ２が形成される位置は、各像ＩＭ１及びＩＭ２が形成される位置であると共に、各画像センサＩＳ１及びＩＳ２が配置される位置である。実施形態の一例では、ビームスプリッタＢＳは、波長を選択可能である。このため、異なる波長（波長帯）の光が画像センサＩＳ１及びＩＳ２にそれぞれ搬送されて反射される。この例では、画像センサＩＳ１、ＩＳ２は、入射する特定の波長帯を感知することができるように構成されていてもよい。また、波長の選択性向上に使用される光路上に、少なくとも一つの波長選択フィルタ（図示せず）を配置してもよい。また、図１Ｉには、主光線ＣＲを有する軸方向フィールド光線ＡＦＢが図示されている。
【００５６】
図１Ｊは、図１Ａ及び１ＢのＴＭＡシステム１０の部分拡大図である。本図には、開放絞り値ｆ／３．４で動作するＴＭＡシステムにおいて、開口絞りＡＳと三次ミラーＭ３との間にビームスプリッタＢＳが配置されていることが示されている。この構成により、像平面ＩＰ１及び開口絞りＡＳ１に対応する光路ＯＰ１と、像平面ＩＰ２及び開口絞りＡＳ２に対応する光路ＯＰ２が形成される。図中、二つの画像センサＩＳ１及びＩＳ２は、像平面ＩＰ１及びＩＰ２にそれぞれ配置されており、像ＩＭ１及びＩＭ２をそれぞれ電子的に取り込む。実施形態の一例では、ビームスプリッタＢＳは波長を選択可能である。したがって、画像センサＩＳ１、ＩＳ２にそれぞれ異なる波長（波長帯）が搬送されて反射される。図中、虹彩または絞り等の開口制限部ＡＬＥは、開口絞りＡＳ２に位置している。
【００５７】
図２Ａ、２Ｂは、開放絞り値約ｆ／２で動作する図１Ａ及び１ＢのＴＭＡシステム１０の一例の概略ＹＺ、ＸＺ平面図である。
【００５８】
図２Ｃ及び２Ｄは、図２Ａ及び２ＢのＴＭＡシステム１０に関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図では、可視光線波長帯の実視野がプロットされている。また、図２Ｅ及び２Ｆは、図２Ａ及び２ＢのＴＭＡシステム１０に関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図では、遠赤外線波長帯の実視野がプロットされている。図２Ｃ及び２ＤのＭＴＦのグラフ図では、２５サイクル／ｍｍまでに７０％を超えるコントラストが現れている。また、図２Ｅ及び２ＦのＭＴＦのグラフ図では、１０サイクル／ｍｍまでに６０％を超えるコントラストが現れている。
【００５９】
（第２実施形態）
図３Ａ及び３Ｂは、図１Ａ及び１Ｂと同様であるが、開放絞り値約ｆ／２で動作し、特性増幅のない第２実施形態のＴＭＡシステム１０の概略ＹＺ、ＸＺ平面図である。
【００６０】
【表２】
【００６１】
以下、一次ミラーＭ１に関する係数を示す。
ＣＹ＝−０．００４８７５５６
ＫＹ＝−０．６８６２４７
ＣＸ＝−０．００４４８８２８
ＫＸ＝−０．６５４０８２
ＡＲ＝−１．９０７１６Ｅ−１０
ＢＲ＝−６．７５６８５Ｅ−１８
ＣＲ＝ １．０８１６１Ｅ−２３
ＤＲ＝ １．１６１２２Ｅ−２０
ＡＰ＝ ４．３０８８３Ｅ−０１
ＢＰ＝−２．９０２９８Ｅ＋００
ＣＰ＝−９．１５２１３Ｅ＋００
ＤＰ＝−１．０２１１２Ｅ＋００
【００６２】
以下、二次ミラーＭ２に関する係数を示す。
ＣＹ＝−０．００８８４８１８
ＫＹ＝ ０．００００００
ＣＸ＝−０．００７６８６３１
ＫＸ＝ ０．００００００
ＡＲ＝ ４．４３６１４Ｅ−０７
ＢＲ＝−５．３１２１５Ｅ−１０
ＣＲ＝ ６．６７２６７Ｅ−１４
ＤＲ＝ ４．０２６７０Ｅ−１６
ＡＰ＝ ０．０００００Ｅ＋００
ＢＰ＝−２．１７９０８Ｅ−０１
ＣＰ＝−１．４３１１９Ｅ＋００
ＤＰ＝−４．４７２５７Ｅ−０１
【００６３】
以下、三次ミラーＭ３に関する係数を示す。
ＣＹ＝−０．００７１２８８７
ＫＹ＝ ０．００９３２２
ＣＸ＝−０．００７３２０６７
ＫＸ＝−０．０２７３５５
ＡＲ＝ １．３３８７９Ｅ−０９
ＢＲ＝−４．５２８０２Ｅ−１４
ＣＲ＝ ２．４０９３８Ｅ−２８
ＤＲ＝ ０．０００００Ｅ＋００
ＡＰ＝ １．６１２０１Ｅ−０１
ＢＰ＝ １．８４６３６Ｅ−０１
ＣＰ＝ ２．４５１７２Ｅ＋０２
ＤＰ＝ ０．０００００Ｅ＋００
【００６４】
物体空間ＯＢＳＰにおける物体面のＦＯＶは、水平方向（Ｘ軸方向）が７．６度であり、垂直方向（Ｙ軸方向）が４．８度である。開放絞り値は約ｆ／２であり、有効焦点距離は約９３ｍｍである。
【００６５】
図３Ｃ及び３Ｄは、図３Ａ及び３ＢのＴＭＡシステム１０に関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図では、可視光線波長帯の実視野がプロットされている。また、図３Ｅ及び３Ｆは、図３Ａ及び３ＢのＴＭＡシステム１０に関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図では、遠赤外線波長帯の実視野がプロットされている。図３Ｃ及び３ＤのＭＴＦのグラフ図では、２５サイクル／ｍｍまでに約７０％を超えるコントラストが現れている。また、図３Ｅ及び３ＦのＭＴＦのグラフ図では、１０サイクル／ｍｍまでに６０％を超えるコントラストが現れている。
【００６６】
図３Ｇは、図３Ａ及び３ＢのＴＭＡシステム１０に関して、水平および垂直ＦＯＶの歪曲収差をプロットした図である。本図には、両ＦＯＶに対して歪曲収差が適度に補正されており、歪曲収差が電子後処理によって直ちに補正可能となる簡素な形状特性を有することが示されている。
【００６７】
ここに記載するＴＭＡシステム１０は、物体空間ＯＢＳＰに配置される光源（図示せず）からの光ＬＲが画像センサＩＳに反射して物体空間ＯＢＳＰに戻る（反射光が光源に入射する場合もある）ことを阻止するように構成することができることに利点がある。この効果を「特性増幅」と称する。特性増幅を低減または除去するには、ＴＭＡシステム１０に対して同時にすべての要件、特に、サイズ及びＦ値を満足させることが要求される。ここに記載するＴＭＡシステム１０は、ミラーＭ１〜Ｍ３の少なくとも一つが非回転対称ミラー面形状を呈することにより、こうした厳しい要件を満たすことができる。
【００６８】
図３Ｈは、図３Ａ及び３ＢのＴＭＡシステム１０の部分拡大図である。本図には、画像センサＩＳから反射される光ＲＩＳが開口絞りＡＳを通過しない場合に特性増幅が低減されることが示されている。
【００６９】
（第３実施形態）
図４Ａ及び４Ｂは、図１Ａ及び１Ｂと同様であるが、開放絞り値約ｆ／２．５で動作し、特性増幅がなく、歪曲収差が十分に補正された第３実施形態のＴＭＡシステム１０の概略ＹＺ、ＸＺ平面図である。
【００７０】
【表３】
【００７１】
以下、一次ミラーＭ１に関する係数を示す。
ＣＹ＝−０．００３９４２２０
ＫＹ＝−０．６０７７２２
ＣＸ＝−０．００３６２１４０
ＫＸ＝−０．７１８７６０
ＡＲ＝−１．２８０２８Ｅ−０９
ＢＲ＝−６．５９３８９Ｅ−１７
ＣＲ＝−９．６４４６１Ｅ−２３
ＤＲ＝−６．９５５８２Ｅ−２６
ＡＰ＝ １．１９６８２Ｅ−０２
ＢＰ＝−６．７１１７５Ｅ＋００
ＣＰ＝−９．２５２３０Ｅ＋００
ＤＰ＝−３．０７６０６Ｅ＋００
【００７２】
以下、二次ミラーＭ２に関する係数を示す。
ＣＹ＝−０．００２５３８９９
ＫＹ＝ ０．００００００
ＣＸ＝−０．００８７４０１２
ＫＸ＝ ０．００００００
ＡＲ＝ ２．６５９１３Ｅ−０８
ＢＲ＝−２．４１０５２Ｅ−１０
ＣＲ＝ ４．５９１１７Ｅ−１７
ＤＲ＝−５．３７０８０Ｅ−１８
ＡＰ＝ ０．０００００Ｅ＋００
ＢＰ＝−８．２４６３３Ｅ−０１
ＣＰ＝−３．０８１３５Ｅ＋００
ＤＰ＝−３．８３５５５Ｅ−０１
【００７３】
以下、三次ミラーＭ３に関する係数を示す。
ＣＹ＝−０．００５１９３１３
ＫＹ＝−０．０１３９３８
ＣＸ＝−０．００５３９４４４
ＫＸ＝−０．００５１８９
ＡＲ＝ ２．３９６１８Ｅ−１７
ＢＲ＝ ６．２２８０４Ｅ−２３
ＣＲ＝−３．８６５５４Ｅ−３４
ＤＲ＝ ０．０００００Ｅ＋００
ＡＰ＝−１．８８８０４Ｅ＋０
ＢＰ＝ ６．２９０４３Ｅ＋０２
ＣＰ＝ ７．５７２９８Ｅ＋０３
ＤＰ＝ ０．０００００Ｅ＋００
【００７４】
物体空間ＯＢＳＰにおける物体面のＦＯＶは、水平方向（Ｘ軸方向）が７．６度であり、垂直方向（Ｙ軸方向）が４．８度である。開放絞り値は約ｆ／２．５であり、有効焦点距離は約１１２ｍｍである。
【００７５】
図４Ｃ及び４Ｄは、図４Ａ及び４ＢのＴＭＡシステム１０に関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図では、可視光線波長帯の実視野がプロットされている。また、図４Ｅ及び４Ｆは、図４Ａ及び４ＢのＴＭＡシステム１０に関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図では、遠赤外線波長帯の実視野がプロットされている。図４Ｃ及び４ＤのＭＴＦのグラフ図では、２５サイクル／ｍｍまでに約６０％を超えるコントラストが現れている。また、図３Ｅ及び３ＦのＭＴＦのグラフ図では、１０サイクル／ｍｍまでに５０％を超えるコントラストが現れている。
【００７６】
図４Ｇは、図４Ａ及び４ＢのＴＭＡシステム１０に関して、水平および垂直ＦＯＶの歪曲収差をプロットした図である。歪曲収差は極めて良好に補正されており、歪曲収差は僅かに存在するが、電子後処理で直ちに補正可能な特性（ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）を有する。
【００７７】
図４Ｈは、図４Ａ、４ＢのＴＭＡシステム１０の部分拡大図である。本図には、画像センサＩＳから反射される光ＲＩＳが開口絞りＡＳを通過しない場合に特性増幅が低減されることが示されている。
【００７８】
（第４実施形態）
図５Ａ及び５Ｂは、図１Ａ及び１Ｂと同様であるが、開放絞り値約ｆ／１．８で動作し、コンパクトに最適化され、中・遠赤外線波長帯で機能する第４実施形態のＴＭＡシステム１０の概略ＹＺ、ＸＺ平面図である。
【００７９】
【表４】
【００８０】
以下、一次ミラーＭ１に関する係数を示す。
ＣＹ＝−０．００５８３４６１
ＫＹ＝−０．６４０５２４
ＣＸ＝−０．００５１０１７９
ＫＸ＝−０．５８２８１１
ＡＲ＝−２．７９２２７Ｅ−１０
ＢＲ＝−２．５９８５８Ｅ−１６
ＣＲ＝−１．３９９８０Ｅ−２２
ＤＲ＝ ７．５１２４５Ｅ−２３
ＡＰ＝ ７．３６７８８Ｅ−０１
ＢＰ＝−６．３６３９８Ｅ＋００
ＣＰ＝−１．１２９３２Ｅ＋０１
ＤＰ＝−２．１５７２１Ｅ−０１
【００８１】
以下、二次ミラーＭ２に関する係数を示す。
ＣＹ＝−０．００８７３３６９
ＫＹ＝ ０．００００００
ＣＸ＝−０．００７４６８６０
ＫＸ＝ ０．００００００
ＡＲ＝ ５．９１４４３Ｅ−０８
ＢＲ＝ ４．４６１７８Ｅ−１０
ＣＲ＝−９．７２８０５Ｅ−１４
ＤＲ＝ ９．８４４４２Ｅ−１７
ＡＰ＝ ０．０００００Ｅ＋００
ＢＰ＝−８．７６１０９Ｅ−０１
ＣＰ＝−１．５２６８１Ｅ−０１
ＤＰ＝−２．０６２２４Ｅ−０１
【００８２】
以下、三次ミラーＭ３に関する係数を示す。
ＣＹ＝−０．００８０９２８２
ＫＹ＝−０．０３２３３０
ＣＸ＝−０．００８４４３３３
ＫＸ＝−０．０７０７１４
ＡＲ＝−２．８３０１７Ｅ−１４
ＢＲ＝−３．２７９９７Ｅ−１３
ＣＲ＝ ３．６１３０７Ｅ−３０
ＤＲ＝ ０．０００００Ｅ＋００
ＡＰ＝−７．６０１７７Ｅ＋０１
ＢＰ＝ １．２４６５１Ｅ−０１
ＣＰ＝ １．３７６１７Ｅ＋０３
ＤＰ＝ ０．０００００Ｅ＋００
【００８３】
物体空間ＯＢＳＰにおける物体面のＦＯＶは、水平方向（Ｘ軸方向）が７．６度であり、垂直方向（Ｙ軸方向）が４．８度である。開放絞り値は約ｆ／１．８であり、有効焦点距離は約８６ｍｍである。
【００８４】
図５Ｃ及び５Ｄは、図５Ａ及び５ＢのＴＭＡシステム１０に関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図では、中赤外線波長帯の実視野がプロットされている。また、図５Ｅ及び５Ｆは、図５Ａ及び５ＢのＴＭＡシステム１０に関するＭＴＦのグラフ図である。このグラフ図では、遠赤外線波長帯の実視野がプロットされている。図５Ｃ及び５ＤのＭＴＦのグラフ図では、１０サイクル／ｍｍまでに約８０％を超えるコントラストが現れている。また、図５Ｅ及び５ＦのＭＴＦのグラフ図では、１０サイクル／ｍｍまでに６０％を超えるコントラストが現れている。
【００８５】
図５Ｇは、図５Ａ及び５ＢのＴＭＡシステム１０に関して、水平および垂直ＦＯＶの歪曲収差をプロットした図である。本図には、両ＦＯＶに対して歪曲収差が適度に補正されており、歪曲収差が電子後処理によって直ちに補正可能な簡素な形状特性を有することが示されている。
【００８６】
上述の実施形態には４つの光学設計が含まれる。本発明の範囲内に含まれる、他の開放絞り、他のＦＯＶ、他の焦点距離、異なる数の非回転対称ミラー、異なる画素サイズを有する他の画像センサのサイズ、他の少なくとも一つの波長帯を備えるＴＭＡシステム１０は、ここに記載する設計原理を利用し、性能基準を満たす設計を得るために従前の光学設計最適化を適用することにより実現可能であることを理解すべきである。このようにして、特定の実施形態例に関連する上述のすべての利点を有する広義のＴＭＡシステム１０を実現することができる。
【００８７】
当業者には明白であるが、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、本発明に対して様々な修正及び変更を加えることができる。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびその均等範囲内において本発明の修正および変更を包含する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの波長帯において物体空間中の物体の第１像平面に像を形成する反射対物光学システムであって、
３ミラー収差補正構成で配置され、第１、第２、第３反射面をそれぞれ有し、前記第１、第２、第３反射面の順に前記物体からの光を前記像に反射する第１、第２、第３ミラーと、
前記第１ミラーと前記第３ミラーとの間に配置され、少なくとも一つの中間像が形成される少なくとも一つの中間像位置と
を備え、
前記第１、第２、第３反射面の少なくとも一つは、非回転対称である
反射対物光学システム。
【請求項２】
前記ミラーの少なくとも一つは、電気鋳造ミラーであり、
前記少なくとも一つの非回転対称反射面は、前記少なくとも一つの電気鋳造ミラー上に形成されている
請求項１に記載の反射対物光学システム。
【請求項３】
前記第１像平面と前記第３ミラーとの間に開口絞りをさらに備える
請求項１または２に記載の反射対物光学システム。
【請求項４】
軸方向フィールド光線の主光線は、前記第１像平面に実質的に垂直である
請求項１から３のいずれかに記載の反射対物光学システム。
【請求項５】
前記３つの反射面は、すべて非回転対称である
請求項１から４のいずれかに記載の反射対物光学システム。
【請求項６】
前記開口絞りの位置に配置されるコールド絞りをさらに備える
請求項３に記載の反射対物光学システム。
【請求項７】
前記少なくとも一つの反射面は、トロイダル形状である
請求項１から６のいずれかに記載の反射対物光学システム。
【請求項８】
前記少なくとも一つの波長帯には、
４５０ｎｍから６５０ｎｍの範囲の可視光線波長帯、
７００ｎｍから１２００ｎｍの範囲の近赤外線波長帯、
３ミクロンから５ミクロンの範囲の中赤外線波長帯、
８ミクロンから１２ミクロンの範囲の遠赤外線波長帯、
２０ｎｍから４００ｎｍの範囲の紫外線波長帯、
１３．５ｎｍの波長を含む極端紫外光波長帯、および
１３．５ｎｍ未満の波長を有するＸ線波長帯
の一つが含まれる
請求項１から７のいずれかに記載の反射対物光学システム。
【請求項９】
前記少なくとも一つの波長帯には、可視光線波長帯、近赤外線波長帯、中赤外線波長帯、遠赤外線波長帯から選択される２つ以上の波長帯が含まれる
請求項１から７のいずれかに記載の反射対物光学システム。
【請求項１０】
前記少なくとも一つの中間像の位置に実質的に配置される視野絞りをさらに備える
請求項１から９のいずれかに記載の反射対物光学システム。
【請求項１１】
前記第１像平面と前記開口絞りとの間、または、前記開口絞りと前記第３ミラーとの間に配置され、第２像平面を形成するビームスプリッタと、
前記第１像平面および第２像平面にそれぞれ配置される第１画像センサおよび第２画像センサと
をさらに備える
請求項３に記載の反射対物光学システム。
【請求項１２】
前記第１像平面に配置される第１画像センサと、
前記第１画像センサに電気的に接続される処理用電子機器と
をさらに備える
請求項１から１０のいずれかに記載の反射対物光学システム。
【請求項１３】
前記第１像平面と前記第３ミラーとの間に配置され、第２像平面を形成するように構成されるビームスプリッタと、
前記第２像平面に配置されると共に前記処理用電子機器に電気的に接続される第２画像センサと
をさらに備える
請求項１２に記載の反射対物光学システム。
【請求項１４】
第１、第２、第３反射面をそれぞれ有し、３ミラー収差補正構成で配置される第１、第２、第３ミラーを備え、
前記第１、第２、第３ミラーの少なくとも二つは、トロイダル面を有する
反射対物光学システム。
【請求項１５】
前記少なくとも二つのトロイダル面は、電気鋳造シェルのそれぞれによって支持される
請求項１４に記載の反射対物光学システム。
【請求項１６】
前記反射対物光学システムに、異なる波長帯に対応する第１像平面と第２像平面とが含まれるように配置されるビームスプリッタをさらに備える
請求項１５に記載の反射対物光学システム。
【請求項１７】
前記第１像平面に配置される第１画像センサと、
前記第２像平面に配置される第２画像センサと、
前記第１画像センサ及び前記第２画像センサに電気的に接続される処理用電子機器と
をさらに備える
請求項１６に記載の反射対物光学システム。
【請求項１８】
実質的に中間像の位置に配置される視野絞りと、
前記第３ミラーの下流の開口絞りの位置に配置されるコールド絞りと
の少なくとも一つをさらに備える
請求項１４から１７のいずれかに記載の反射対物光学システム。
【請求項１９】
可視光線波長帯および少なくとも一つの赤外線波長帯、ならびに
少なくとも二つの異なる赤外線波長帯
の少なくとも一つを結像するように構成される
請求項１４から１８のいずれかに記載の反射対物光学システム。
【請求項２０】
前記３つのミラーは、すべて電気鋳造ミラーである
請求項１４から１９のいずれかに記載の反射対物光学システム。
【請求項１】
少なくとも一つの波長帯において物体空間中の物体の第１像平面に像を形成する反射対物光学システムであって、
３ミラー収差補正構成で配置され、第１、第２、第３反射面をそれぞれ有し、前記第１、第２、第３反射面の順に前記物体からの光を前記像に反射する第１、第２、第３ミラーと、
前記第１ミラーと前記第３ミラーとの間に配置され、少なくとも一つの中間像が形成される少なくとも一つの中間像位置と
を備え、
前記第１、第２、第３反射面の少なくとも一つは、非回転対称である
反射対物光学システム。
【請求項２】
前記ミラーの少なくとも一つは、電気鋳造ミラーであり、
前記少なくとも一つの非回転対称反射面は、前記少なくとも一つの電気鋳造ミラー上に形成されている
請求項１に記載の反射対物光学システム。
【請求項３】
前記第１像平面と前記第３ミラーとの間に開口絞りをさらに備える
請求項１または２に記載の反射対物光学システム。
【請求項４】
軸方向フィールド光線の主光線は、前記第１像平面に実質的に垂直である
請求項１から３のいずれかに記載の反射対物光学システム。
【請求項５】
前記３つの反射面は、すべて非回転対称である
請求項１から４のいずれかに記載の反射対物光学システム。
【請求項６】
前記開口絞りの位置に配置されるコールド絞りをさらに備える
請求項３に記載の反射対物光学システム。
【請求項７】
前記少なくとも一つの反射面は、トロイダル形状である
請求項１から６のいずれかに記載の反射対物光学システム。
【請求項８】
前記少なくとも一つの波長帯には、
４５０ｎｍから６５０ｎｍの範囲の可視光線波長帯、
７００ｎｍから１２００ｎｍの範囲の近赤外線波長帯、
３ミクロンから５ミクロンの範囲の中赤外線波長帯、
８ミクロンから１２ミクロンの範囲の遠赤外線波長帯、
２０ｎｍから４００ｎｍの範囲の紫外線波長帯、
１３．５ｎｍの波長を含む極端紫外光波長帯、および
１３．５ｎｍ未満の波長を有するＸ線波長帯
の一つが含まれる
請求項１から７のいずれかに記載の反射対物光学システム。
【請求項９】
前記少なくとも一つの波長帯には、可視光線波長帯、近赤外線波長帯、中赤外線波長帯、遠赤外線波長帯から選択される２つ以上の波長帯が含まれる
請求項１から７のいずれかに記載の反射対物光学システム。
【請求項１０】
前記少なくとも一つの中間像の位置に実質的に配置される視野絞りをさらに備える
請求項１から９のいずれかに記載の反射対物光学システム。
【請求項１１】
前記第１像平面と前記開口絞りとの間、または、前記開口絞りと前記第３ミラーとの間に配置され、第２像平面を形成するビームスプリッタと、
前記第１像平面および第２像平面にそれぞれ配置される第１画像センサおよび第２画像センサと
をさらに備える
請求項３に記載の反射対物光学システム。
【請求項１２】
前記第１像平面に配置される第１画像センサと、
前記第１画像センサに電気的に接続される処理用電子機器と
をさらに備える
請求項１から１０のいずれかに記載の反射対物光学システム。
【請求項１３】
前記第１像平面と前記第３ミラーとの間に配置され、第２像平面を形成するように構成されるビームスプリッタと、
前記第２像平面に配置されると共に前記処理用電子機器に電気的に接続される第２画像センサと
をさらに備える
請求項１２に記載の反射対物光学システム。
【請求項１４】
第１、第２、第３反射面をそれぞれ有し、３ミラー収差補正構成で配置される第１、第２、第３ミラーを備え、
前記第１、第２、第３ミラーの少なくとも二つは、トロイダル面を有する
反射対物光学システム。
【請求項１５】
前記少なくとも二つのトロイダル面は、電気鋳造シェルのそれぞれによって支持される
請求項１４に記載の反射対物光学システム。
【請求項１６】
前記反射対物光学システムに、異なる波長帯に対応する第１像平面と第２像平面とが含まれるように配置されるビームスプリッタをさらに備える
請求項１５に記載の反射対物光学システム。
【請求項１７】
前記第１像平面に配置される第１画像センサと、
前記第２像平面に配置される第２画像センサと、
前記第１画像センサ及び前記第２画像センサに電気的に接続される処理用電子機器と
をさらに備える
請求項１６に記載の反射対物光学システム。
【請求項１８】
実質的に中間像の位置に配置される視野絞りと、
前記第３ミラーの下流の開口絞りの位置に配置されるコールド絞りと
の少なくとも一つをさらに備える
請求項１４から１７のいずれかに記載の反射対物光学システム。
【請求項１９】
可視光線波長帯および少なくとも一つの赤外線波長帯、ならびに
少なくとも二つの異なる赤外線波長帯
の少なくとも一つを結像するように構成される
請求項１４から１８のいずれかに記載の反射対物光学システム。
【請求項２０】
前記３つのミラーは、すべて電気鋳造ミラーである
請求項１４から１９のいずれかに記載の反射対物光学システム。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図１Ｅ】
【図１Ｆ】
【図１Ｇ】
【図１Ｈ】
【図１Ｉ】
【図１Ｊ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図２Ｅ】
【図２Ｆ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図３Ｅ】
【図３Ｆ】
【図３Ｇ】
【図３Ｈ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図４Ｅ】
【図４Ｆ】
【図４Ｇ】
【図４Ｈ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図５Ｅ】
【図５Ｆ】
【図５Ｇ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図１Ｅ】
【図１Ｆ】
【図１Ｇ】
【図１Ｈ】
【図１Ｉ】
【図１Ｊ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図２Ｅ】
【図２Ｆ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図３Ｅ】
【図３Ｆ】
【図３Ｇ】
【図３Ｈ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図４Ｅ】
【図４Ｆ】
【図４Ｇ】
【図４Ｈ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図５Ｅ】
【図５Ｆ】
【図５Ｇ】
【公開番号】特開２０１２−４２９４９（Ｐ２０１２−４２９４９Ａ）
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１１−１７０５６９（Ｐ２０１１−１７０５６９）
【出願日】平成２３年８月３日（２０１１．８．３）
【出願人】（５０９１０５２３７）メディア ラリオ ソシエタ ア レスポンサビリタ リミタータ (18)
【氏名又は名称原語表記】ＭＥＤＩＡ ＬＡＲＩＯ Ｓ．Ｒ．Ｌ．
【住所又は居所原語表記】Ｌｏｃａｌｉｔａ Ｐａｓｃｏｌｏ，Ｉ−２３８４２ Ｂｏｓｉｓｉｏ Ｐａｒｉｎｉ，Ｌｅｃｃｏ，Ｒｅｐｕｂｂｌｉｃａ Ｉｔａｌｉａｎａ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７０５６９（Ｐ２０１１−１７０５６９）
【出願日】平成２３年８月３日（２０１１．８．３）
【出願人】（５０９１０５２３７）メディア ラリオ ソシエタ ア レスポンサビリタ リミタータ (18)
【氏名又は名称原語表記】ＭＥＤＩＡ ＬＡＲＩＯ Ｓ．Ｒ．Ｌ．
【住所又は居所原語表記】Ｌｏｃａｌｉｔａ Ｐａｓｃｏｌｏ，Ｉ−２３８４２ Ｂｏｓｉｓｉｏ Ｐａｒｉｎｉ，Ｌｅｃｃｏ，Ｒｅｐｕｂｂｌｉｃａ Ｉｔａｌｉａｎａ
【Ｆターム（参考）】
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