コマコレクターレンズの設計・評価

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かねろうかやぬま
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1 ORA 製品利用報告書東京大学工学系研究科先端学際工学専攻宮村典秀利用製品 :CODEV 利用期間 :2008 年 4 月 1 日 ~ 2009 年 3 月 31 日研究概要背景衛星への搭載に向けて小型かつ高分解能の望遠鏡が必要とされる広い視野を一度に観測するためには広範囲の画角にわたって光学性能を向上させる必要がある画角が大きい場合に顕著に現れるコマ収差を補正するためのレンズ設計し光学特性が向上されることを確認した利用目的 CODEV の最適化機能を利用して既存の望遠鏡のコマ収差特性を改善するためにコマコレクターレンズの設計評価を行うことを目的とする利用の成果または進捗状況別紙利用にあたっての問題点無し今後の計画展望分光センサの設計評価への利用を計画している論文学会報告雑誌などでの論文発表の有無無しその他特記事項無し

2 ( 別紙 ) CODEV による望遠鏡の性能解析と収差補正レンズの設計宮村 2009 年 3 月 1 概要 CODEV を使って, 望遠鏡の性能解析を行った. また,CODEV の最適設計機能を利用して, コマ収差を補正するためのコマコレクターレンズを設計し, 画角が大きい場合の性能が改善されることを示した. 2 望遠鏡光線追跡結果 MM Scale: 0.39 N.M 29-Nov-06 図 1 CODEV による光線追跡, 最大画角 0.639deg( 検出器対角方向 ) 3 性能解析 3.1 スポットダイアグラム CODEV で計算したスポットダイアグラムとメーカーによる検査データを示す. 画角が大きい場合にコマ収差が大きいことがわかる. 1

3 FIELD POSIION 0.00, ,0.639 DG 0.00, ,0.447 DG 0.00, ,0.000 DG.100 MM DEFOCUSING 図 2 望遠鏡スポットダイアグラム,CODEV 計算結果,C:656.28nm, d:587.56nm, F:486.13nm, g:435.84nm 図 3 望遠鏡スポットダイアグラムメーカーによる検査データ 2

4 3.2 収差解析 CODEV で計算した縦収差図とメーカーの設計データ. 球面収差図を比較すると, すべての波長でほぼ一致していることがわかる NM NM NM NM LONGIUDINAL SPHERICAL ABER. ASIGMAIC FIELD CURVES DISORION 1.00 S ANGLE(deg) 0.64 ANGLE(deg) FOCUS (MILLIMEERS) FOCUS (MILLIMEERS) % DISORION N.M 29-Nov-06 図 4 望遠鏡縦収差,CODEV 計算結果,C:656.28nm, d:587.56nm, F:486.13nm, g:435.84nm 図 5 望遠鏡縦収差, メーカーの設計データ 3

5 CODEV による望遠鏡の横収差図を示す. ANGENIAL 1.00 RELAIVE SAGIAL FIELD HEIGH ( ) O RELAIVE FIELD HEIGH ( ) O RELAIVE FIELD HEIGH ( ) O - - RAY ABERRAIONS ( MILLIMEERS ) N.M 29-Nov NM NM NM NM 図 6 望遠鏡横収差,CODEV 計算結果 4

3.3 点像分布関数 (PSF) CODEV を利用して, 画角ごとの PSF を計算した結果を示す. POIN SPREAD FUNCION Per Cent 100.00 50.000 25 POSIION 1 N.M 29-Nov-06 DIFFRACION INENSIY SPREAD FUNCION FLD( 0.00, 0.00)MAX;( 0.0, 0.0)DEG DEFOCUSING: 0.

6 3.3 点像分布関数 (PSF) CODEV を利用して, 画角ごとの PSF を計算した結果を示す. POIN SPREAD FUNCION Per Cent POSIION 1 N.M 29-Nov-06 DIFFRACION INENSIY SPREAD FUNCION FLD( 0.00, 0.00)MAX;( 0.0, 0.0)DEG DEFOCUSING: MM WAVELENGH WEIGH Field = ( 0.000, 0.000) Degrees Defocusing = mm POIN SPREAD FUNCION Per Cent POSIION 1 N.M 29-Nov-06 DIFFRACION INENSIY SPREAD FUNCION FLD( 0.00, 0.70)MAX;( 0.0, 0.4)DEG DEFOCUSING: MM WAVELENGH WEIGH Field = ( 0.000, 0.447) Degrees Defocusing = mm POIN SPREAD FUNCION Per Cent POSIION 1 N.M 29-Nov-06 DIFFRACION INENSIY SPREAD FUNCION FLD( 0.00, 1.00)MAX;( 0.0, 0.6)DEG DEFOCUSING: MM WAVELENGH WEIGH Field = ( 0.000, 0.639) Degrees Defocusing = mm 図 7 望遠鏡点像分布関数 (PSF),CODEV 計算結果, 上 : 光軸上, 中 : 画角 0.45deg, 下 : 画角 0.64deg

7 3.4 MF CODEV による MF の計算結果を示す. 検出器の画素サイズは 6.7um であるため, ナイキスト周波数は 74.6cycles/mm である. 画角が大きい場合に急激に MF が低下することがわかる. N.M DIFFRACION MF 29-Nov-06 DIFFRACION LIMI AXIS 0.7 FIELD ( ) R 0.45 O 1.0 FIELD ( ) R 0.64 O WAVELENGH WEIGH 1.0 DEFOCUSING M O 0.6 D U L 0.5 A I O 0.4 N SPAIAL FREQUENCY (CYCLES/MM) 図 8 望遠鏡 MF CODEV 計算結果,Nyquist 周波数 74.6 cycles/mm 6

8 3.5 レンズによって得られる画像の計算 CODEV によって, ディストーション, 収差, 回折, 周辺光量比, 波長, 検出器性能を考慮した出力画像を求めることができる. 結果を図に示す. 図 9 CODEV によるレンズ出力画像シミュレーション, 上左 : 元画像, 上右 : 元画像一つの要素を拡大, 下左 : シミュレーション結果, 下中 : シミュレーション画像光軸上を拡大, 下右 : シミュレーション結果画角最大位置を拡大 7

9 4 コマコレクターによるコマ収差の改善設計 CODEV の最適設計機能を用いて, 検出器の前にコマコレクターレンズを設計した. コマコレクターレンズの詳細と, 光線追跡結果をそれぞれ図 10 および図 11 に示す. コマコレクターレンズによって PSF,MF が改善される. 数値計算結果を図 12, 図 13 に示す S1 S2 RADIUS RAD OL CX PF CC PF POW/IRR / / C.A. DIA NOES : 1. ALL DIMENSIONS ARE IN MILLIMEERS. 2. MAERIAL: OPICAL GLASS PER MIL-G-174 YPE: NBK7 SCHO NO N V SRIAE GRADE, ANNEAL MEL NO. 3. 'P' PICH POLISH O ES PLAE WIHIN POWER AND IRREGULARIY INDICAED. 4. MANUFACURE PER MIL-O SURFACE QUALIY 6. 'C' MAGNESIUM FLUORIDE COAING PER MIL-C-675 FOR MAX RANSMISSION A MILLIMICRONS. 7. 'G' FINE GROUND & BLACKENED PER 8. BEVEL EDGES A 45 DEG O MAX FACE WIDH 9. DIAMEER O FLA IS (REF) WIH SURFACE SAG OF ON SURFACE S2 P EDGE DIA DIA OL CENRAL HICKNESS HI OL WEDGE S1 S2 SCALE REL BY REL DAE Coma Corrector Lens 3.94:1 ELEMEN 1 図 10 コマコレクターレンズ詳細 DR CHK APPD MM with Coma Corrector Scale: 0.39 N.M 29-Nov-06 図 11 最適設計によるコマコレクターを配置, すべての画角, 波長でスポットダイアグラムを求め拡がりの二乗和が最小になるようコマコレクターレンズを設計 8

POIN SPREAD FUNCION Per Cent 100.00 50.000 25 DIFFRACION INENSIY SPREAD FUNCION WAVELENGH WEIGH POSIION 1 ORA 28-Nov-06 FLD( 0.00, 1.00)MAX;( 0.0, 0.6)DEG DEFOCUSING: 0.000000 MM Field = ( 0.000, 0.

10 POIN SPREAD FUNCION Per Cent DIFFRACION INENSIY SPREAD FUNCION WAVELENGH WEIGH POSIION 1 ORA 28-Nov-06 FLD( 0.00, 1.00)MAX;( 0.0, 0.6)DEG DEFOCUSING: MM Field = ( 0.000, 0.639) Degrees Defocusing = mm POIN SPREAD FUNCION Per Cent mm DIFFRACION INENSIY SPREAD FUNCION WAVELENGH WEIGH POSIION 1 ORA 28-Nov-06 FLD( 0.00, 1.00)MAX;( 0.0, 0.6)DEG DEFOCUSING: MM Field = ( 0.000, 0.639) Degrees Defocusing = mm mm 図 12 コマコレクターによる PSF の改善例, 上 : コマコレクター無し ( 図 7 下と同じ ), 下 : コマコレクター有り DIFFRACION LIMI AXIS WAVELENGH WEIGH ORA DIFFRACION MF 28-Nov-06 R R 0.7 FIELD ( 0.45 ) O 1.0 FIELD ( 0.64 ) O DEFOCUSING M O 0.6 D U L A 0.5 I O N SPAIAL FREQUENCY (CYCLES/MM) DIFFRACION LIMI AXIS WAVELENGH WEIGH ORA DIFFRACION MF 28-Nov-06 R R 0.7 FIELD ( 0.45 ) O 1.0 FIELD ( 0.64 ) O DEFOCUSING M O D U 0.6 L A 0.5 I O N SPAIAL FREQUENCY (CYCLES/MM) 図 13 コマコレクターによる MF の改善例, 上 : コマコレクター無し ( 図 8 と同じ ), 下 : コマコレクター有り 9

図 14 コマコレクターの有無による CODEV シミュレーション画像比較, 上段は図 9 下と同じ ( 上左 : シミュレーション結果, 上中

11 CODEV の画像シミュレーションを利用してコマコレクター有無の比較を行った. わかりにくいが, 画角端のパターンを比較すると, 改善している様子がわかる. 図 14 コマコレクターの有無による CODEV シミュレーション画像比較, 上段は図 9 下と同じ ( 上左 : シミュレーション結果, 上中 : シミュレーション画像光軸上を拡大, 上右 : シミュレーション結果画角最大位置を拡大 ), 下段は左から, 全体, 中心, 画角最大 5 まとめ CODEV による一通りの性能解析と, コマコレクターレンズにより画角が大きい場合の収差を改善することができることを示した. 10

Pick-up プロダクツプリズム分光方式ラインセンサカメラ用専用レンズとその応用株式会社ブルービジョン当社はプリズムを使用した 3CMOS/3CCD/4CMOS/4CCD ラインセンサカメラ用に最適設計した FA 用レンズを設計製造する専門メーカである当社のレンズシリーズはプリズムにて

Pick-up プロダクツプリズム分光方式ラインセンサカメラ用専用レンズとその応用株式会社ブルービジョン当社はプリズムを使用した 3CMOS/3CCD/4CMOS/4CCD ラインセンサカメラ用に最適設計した FA 用レンズを設計製造する専門メーカである当社のレンズシリーズはプリズムにて Pick-up プロダクツプリズム分光方式ラインセンサカメラ用専用レンズとその応用当社はプリズムを使用した 3CMOS/3CCD/4CMOS/4CCD ラインセンサカメラ用に最適設計した FA 用レンズを設計製造する専門メーカである当社のレンズシリーズはプリズムにて発生する軸上色収差倍率色収差を抑えた光学設計を行い焦点距離が異なったレンズを使用しても RGB 個々の焦点位置がレンズ間で同じ位置になるよう設計されている