CN1573408A - 偏心光学系统和使用该偏心光学系统的光学仪器 - Google Patents

Abstract

一种偏心光学系统，形成两个光路，在一个光路中对入射光束进行三次内部反射以折叠光路，然后将其从透射面出射并且成像于像面上，并且在另一光路中对入射光束进行两次内部反射以折叠光路，然后从分路面出射并且成像于像面上。这多个光学作用面中的至少两个面为回转非对称面。

Description

偏心光学系统和使用该偏心光学系统的光学仪器

本申请要求于2003年5月26日提交的日本专利申请NO.2003-147588的优先权，在此引入其内容作为参考。

技术领域

本发明涉及偏心光学系统和使用该偏心光学系统的光学仪器。特别地，本发明涉及在焦平面上进行聚焦时可适当采用的偏心光学系统和使用该偏心光学系统的光学仪器。

背景技术

众所周知，根据应用的领域，与折射系统相比反射系统通常具有更优良的性能。

反射系统的优点在于，由于不出现色差，如果反射光谱特性允许有反射材料和反射覆层，则可以覆盖极宽的范围，光路可以折叠，并且整个光学仪器可以容易地具有紧凑结构，并且假设曲率相同，则光焦度增大了4倍，使得曲率可以变小，因此可以控制像差的出现等。

反射系统应用于诸如天文学等领域，其中采用主反射镜和辅反射镜组合的诸如Cassegrain型和Gregorian型等反射系统已广为人知。然而，由于这些反射镜设置在同一轴线上，因此辅反射镜部分被遮蔽，从而导致光损失。

为改善这一点，已经设计了多种属于偏心光学系统的反射系统，这些反射系统采用相互偏心和倾斜的多个反射面的组合。作为这种反射系统的一个示例，在专利文献1至4中公开了具有多个反射镜的系统。

另一方面，已设计了多种作为棱镜型偏心光学系统的反射系统，在这些光学系统中多个反射面相互偏心并且倾斜(例如专利文献5和6)。

采用这些偏心系统与光检测器等组合作为光学仪器。

[专利文献1]

日本未审专利申请，首次公开No.Hei 7-146442(图2)

[专利文献2]

日本未审专利申请，首次公开No.2000-199852(图1和4)

[专利文献3]

美国专利No.4265510(图1和3)

[专利文献4]

美国专利No.4834517(图2、4和6)

[专利文献5]

日本未审专利申请，首次公开No.Hei 8-122670(3-5页，图3、4及6)

[专利文献6]

日本未审专利申请，首次公开No.2000-321500(12-14页，图1至12)

利用专利文献1至4中所公开的技术，以组合的方式使用具有反射面的多个反射镜。因此，为精确地定位各反射面，必须高精度地加工各反射镜的周边部分的相对位置以及反射面。此外，必须准确地定位各反射镜相对于其他反射镜的位置。因此在装配过程中，极其精确的定位技术或者定位机制对于调节各反射镜的位置是非常必要的。因此，除光学元件的制造以外，还产生了装配和调节方面的费用。

此外，利用专利文献5和6所公开的技术，棱镜具有入射面、透射面的出射面、以及两个或者更多个反射面，并被构造成使输入光在棱镜内反射，并且在其从棱镜出射后形成图像。此时，由于从/向反射面的反射，棱镜内的光路相交呈三角形。

在这种情况中，棱镜内的光路在光轴的交点和两个反射点处相交呈三角形，使光路折叠，因此允许一定程度的小型化。在实践中，例如，当构造具有大入射光瞳和长焦距的光学仪器时，增加了光路自身的长度并使后焦距变得更长。

发明内容

本发明的偏心光学系统的第一方面是具有近似平行的输入光束，并且包括一棱镜，该棱镜具有折射率为1或者更大的介质，在该棱镜上，在介质的分界面处形成有至少4个光学作用面，其中，假设沿输入光的光路将这些光学作用面称为第1、第2、第3、第4，…以及第n(“n”为自然数)面，第1至第4面中的至少一个面为分路面，在该分路面中，光路被分成透射光和反射光的两个光路。

本发明的偏心光学系统的第二方面是具有近似平行的输入光束，并且包括一棱镜，该棱镜具有折射率为1或者更大的介质，在该棱镜上，在介质的分界面处形成有5个光学作用面，其中，将这5个光学作用面定位成使得，假设沿输入光的光路按顺序将这些光学作用面称为第1、第2、第3、第4和第5面，第1至第5面中的至少一个面为分路面，在该分路面中，光路被分成透射光和反射光的两个光路，并且，在分路面所分成的各个光路中形成实像。

在偏心光学系统的该第二方面中，假设沿输入光的光路按顺序将该5个光学作用面称为第1、第2、第3、第4和第5面，第1面可以是透射输入光的透射面，第2面和第3面可以是反射在介质内部通过的光束的内部反射面，第4面可以是将光路分成透射光和反射光两个光路的分路面，第5面可以是使由第4面所反射的反射光透射的透射面，而这5个光操作面中的至少两个面可以是回转非对称面，并且可以在棱镜的外部形成至少一个实像。

在偏心光学系统的第一方面中，该第2面可以包括一具有正光焦度的回转非对称面。

在偏心光学系统的第一方面中，该第3面可以包括一具有负光焦度的回转非对称面。

在偏心光学系统的第一方面中，可以形成一光路，在该光路中，由分路面所反射的反射光的轴上的主光束与通过该棱镜的至少两个光束的轴上的主光束相交。

在偏心光学系统的第二方面中，可以形成一光路，在该光路中，轴上的由第2面向第3面反射的主光束和轴上的由第4面向第5面反射的主光束各与轴上的通过第1面射向第2面的主光束相交。

在偏心光学系统的该第二方面中，可以将棱镜周边方向上的第1至第5面设置为：第1面和第2面之间、第2面和第3面之间、第3面和第4面之间、以及第4面和第5面之间的至少一个面设置有另一光学作用面。

在偏心光学系统的该第二方面中，当以垂直于输入光的轴上的主光束的平面作为倾斜基准面时，在第2面上与轴上的主光束相交的位置处的切平面的倾斜角为θ1，而在第3面上与轴上的主光束相交的位置处的切平面的倾斜角为θ2，可以满足以下条件表达式：

30≤|θ2-θ1|≤80

在偏心光学系统的第二方面中，当以垂直于输入光的轴上的主光束的平面作为倾斜基准面时，在第4面上与轴上的主光束相交的位置处的切平面的倾斜角为θ3，而在第5面上与轴上的主光束相交的位置处的切平面的倾斜角为θ4，满足以下条件表达式：

|θ4-θ3|≤30

在偏心光学系统的第一方面中，当假设傍轴焦距为F时，可以满足以下条件表达式：

60(mm)≤F≤500(mm)

在偏心光学系统的第一方面中，当假设傍轴焦距为F时，并假设入射光瞳直径为D时，比率F/D满足以下条件表达式：

2≤F/D≤15

在偏心光学系统的第一方面中，可以设置一光学器件，该光学器件在于棱镜外形成实像后使光束形成为一近似平行的光束，并且具有在所需的位置形成出射光瞳的正光焦度。

在此情况中，可以在光接收面上设置一聚光器件，该聚光器件在形成出射光瞳后使光束成像。

在偏心光学系统的第一方面中，在5个光学作用面中，至少一个面为分路面，在该分路面中将光路分成透射光和反射光的两个光路，并且在该分路面上分路的各个光路中形成实像。

在偏心光学系统的第二方面中，假设沿输入光的光路将该5个光学作用面称为第1、第2、第3、第4以及第5面，可以将分路面设为第4面，并且由第4面反射向轴上的第5面的主光束可以形成与以下主光束相交的光路：穿过第1面朝向轴上的第2面的主光束，以及由第2面反射向轴上的第3面的主光束。

其中输入光为近似平行光束的本发明的光学仪器包括：具有偏心光学系统的聚光单元，以及光偏转器件，其对于在该偏心光学系统中形成出射光瞳的光束，在该出射光瞳的位置附近对该光束进行偏转，并且将其导向一个光接收面；位置检测器件，其对导向一个光接收面的光束的光接收位置进行检测并且输出检测信号；移动机构，其可移动地支撑聚光单元；以及位置控制器件，其响应于来自位置检测器件的检测输出、或者光偏转器件的偏转量、或者二者，来控制移动机构的移动量。

该移动机构可以具有万向台(gimbal stage)。

偏心光学系统的实际光阑可以与聚光单元的外部集成为一体。

可以将位置检测器件设置在一个光接收面中，和另一个光接收面中，并且该位置控制器件可以响应于来自位置检测器件的一个检测输出而提供移动机构的粗略移动，并且响应于来自位置检测器件的另一检测输出而提供移动机构的精密移动。

可以对位置检测器件配备调制光检测器，其构成光信号在空中传播的光接收部件。

本发明的用于空间光通信的光学仪器的第一方面包括一偏心设置的光学作用面。

本发明的用于空间光通信的光学仪器的第二方面包括具有折射率为1或者更大的介质的棱镜，在该棱镜上在该介质的分界面上偏心地形成有至少四个光学作用面。

在光学仪器的该第二方面中，可以按照一定位置关系来设置该至少4个光学作用面，使得：假设沿输入光的光路将这些光学作用面称为第1、第2、第3、第4，…，第n(“n”为自然数)面，则由第3面反射向轴上的第4面的主光束与通过第1面透射向轴上的第2面的主光束相交。

在光学仪器的该第一方面中，多个光学作用面中的至少一个面可以是分路面，在该分路面中，光路被分成透射光和反射光的两个光路。

在光学仪器的该第一方面中，偏心设置的光学作用面可以包括回转非对称面。

本发明的用于空间光通信的光学仪器的第一方面包括一位于权利要求22所述的光学仪器的图像位置上的光检测器。

本发明的用于空间光通信的光学仪器的第二方面包括一位于权利要求1所述的偏心光学系统的图像位置上的光检测器。

附图说明

图1A和图1B是显示根据本发明的第一实施例、作为偏心光学系统的棱镜的形状以及光路的示例的剖面图。

图2是显示在同一个实施例中当改变入射视场角时的光路的剖面图。

图3是显示根据本发明的第一实施例、作为偏心光学系统的棱镜的变型例的形状和光路的剖面图。

图4是显示根据本发明第二实施例的偏心光学系统的概要剖面图。

图5A和图5B是显示根据本发明第二实施例的偏心光学系统的光路的一个示例的光路图。

图6是显示根据本发明第三实施例的光学仪器的概要结构的示意图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的实施例进行说明。在所有附图中，即使在实施例不同的情况下，相同或者等效的元件也采用相同的标记，并省略相同的说明。

[第一实施例]

以下说明本发明的第一实施例的偏心光学系统。

图1A和图1B是显示根据本发明的第一实施例、作为偏心光学系统的棱镜的形状以及光路的示例的剖面图。图2是显示在同一个实施例中当入射视场角改变时的光路的剖面图。

以下对根据本发明的第一实施例作为光学仪器的棱镜1进行说明。

棱镜1接收到近似平行的入射光束并且在外部形成图像，并且该棱镜1由具有折射率为1或者更大的介质形成。可以采用玻璃或者合成树脂等作为该介质。

设置5个光学作用面，即：透射面3、反射面4(内反射面)，反射面5(内反射面)，分路面6，以及透射面7。如果忽略各光学作用面的曲率，则棱镜1为具有五边形截面的近似柱体。

图1A显示了一个截面，包括当近似平行的入射光束51(输入光)从该图的左侧入射到棱镜1的透射面3时轴上的主光束。当光路具有0°、±0.5°的入射角时，将各光束表示为主光束和两个次光束。标记2表示开口光阑。

如图1A所示，围绕棱镜1的周边按逆时针方向依次设置5个光学作用面，即：透射面3、分路面6，反射面4，透射面7，以及反射面5。因此，在入射光束按该顺序到达透射面3、反射面4、反射面5、分路面6、和透射面7后，在像面8上形成图像，因此形成单一光路。按光路上的透射面3、反射面4、反射面5、分路面6和透射面7的这一顺序，以下将这些面称为第1面、第2面、第3面、第4面以及第5面。

根据该结构，在周边上第1面与第2面不相邻，并且第3面、第5面以及第4面介于这两个面之间的区域之中。此外，在周边上第3面与第4面不相邻，而第1面、第2面、和第5面介于这两个面之间的区域中。另外，在周边上第4面与第5面不相邻，并且第1面、第3面以及第2面介于这两个面之间的区域中。

因此，由于在第1面和第2面之间在棱镜1之内存在从第3面到第4面的光路，以及从第4面到第5面的光路，因此，位置关系是：轴上从第1面射向第2面的主光束与轴上这两个光路的主光束相交。同样，由于在第4面和第5面之间在棱镜1之中存在从第1面到第2面的光路，以及从第2面到第3面的光路，因此，位置关系是，轴上从第4面射向第5面的主光束与轴上这两个光路的主光束相交。

即，在这些光路中，在棱镜1中介于第1面和第4面之间的光路被折叠成三角形，而出射到棱镜1外部的从第4面到第5面的光路与从第1面到第2面的光路和从第2面到第3面的光路相交，并在像面8上形成图像。也就是说，在第1面和第4面之间的光路中形成第一三角形折叠，并且在第2面和第4面之间的光路中形成第二三角形折叠。

因此，通过在棱镜1中包含从第4面到第5面的光路，将光路折叠成单个三角形，并且与传统棱镜相比，即使在焦距较长并且光路也较长的光学仪器中，也可以形成更加紧凑更加小型的偏心光学系统。

在本实施例中，由于轴上的主光束50位于相同平面(附图中的纸面)，即使在入射视场角改变的情况下，光路也按照上述方式相交。另一方面，当入射光束51在与纸面垂直的平面内具有入射视场角时，则会在一三维光路上进行传播。在此情况下，如果上述的相交截面替换为以下的位置关系：使光路扭曲，使得当光路在纸面的方向上进行投影时，光路发生交叉，则可以明确：以与上述相同的方式在棱镜1的厚度范围内沿与纸面垂直的方向对光路进行了紧凑的折叠。

以下，为简化说明，说明集中于二维光路，并且仅在必要的情况下对三维光路进行说明。通常可以将二维光路的解释扩展到涵盖三维光路而不会产生问题。

在本实施例中，对5个光学作用面中的至少两个采用了非旋转对称的自由形态曲面。

因此，首先，对用于表示偏心光学系统中的回转非对称面的坐标系和自由形态曲面公式进行说明。

如图1A所示，将坐标系定义为在从物体到开口光阑2和棱镜1的光束，到达棱镜1的透射面3的中心(与开口光阑2的中心相垂直)的轨迹上的入射光轴，透射面3构成了光轴上主光束50的光阑面。因此，在光束的轨迹上，以开口光阑2的中心作为偏心光学系统的偏心光学面的原点(已将附图中所示的坐标轴的原点位置进行了偏移，以避免与光路重叠)，并且以沿入射光轴的方向作为Z轴，以从物体指向与偏心光学系统的开口光阑2相对的面的方向作为Z轴的正方向，并且将纸面作为Y-Z平面，从纸的前面指向纸的后面的方向作为X轴的正方面，X轴和Z轴构成右手直角坐标系。

如果将以X轴、Y轴和Z轴为中心的倾斜角分别假设为α、β和γ，则将倾斜角α和β的正角定义为分别相对于X轴和Y轴上的正方向的逆时针方向，而倾斜角γ的正角定义为相对于Z轴上的正方向的顺时针方向。

如果将每个光学作用面表示在一个坐标系之内，以光学作用面和轴上的主光束50相交的点为原点，从物体向像面连续地追踪轴上的主光束50，并且将X轴保持在垂直于纸面的方向上，将Y轴和Z轴表示在旋转局部坐标系中，以使Z轴与轴上的主光束50相符。

使面的中心轴的角α、β和γ旋转的方法是：首先使各面的中心轴和其XYZ直角坐标系绕X轴逆时针旋转角α，然后使旋转后的面的中心轴绕新坐标系的Y轴逆时针旋转角β，使旋转一次后的坐标系再绕Y轴逆时针旋转β角，然后使旋转两次后的各面的中心轴绕新坐标系的Z轴顺时针旋转角γ。

在本实施例中所采用的非旋转对称曲面的形状是例如由以下的公式(a)所定义的自由形态曲面公式来表示。公式(a)的Z轴即自由形态曲面的轴。

[公式1]

$Z=(r^2/R)/[1+\sqrt{\{1-(1+k){(r/R)}^2\}}]+\underset{j=1}{\overset{66}{\mathrm{\Σ}}}{C}_j{X}^m{Y}^n\·\·\·\left(a\right)$

公式(a)的第一表达式是针对一球面的表达式，而第二表达式是针对自由形态曲面的表达式。在球面表达式中，R为傍轴曲率的峰值半径，k为圆锥常数，并且 $r=\sqrt{(X^2+Y^2)}.$

以下为自由形态曲面的表达式。

公式[2]

$\underset{j=1}{\overset{66}{\mathrm{\Σ}}}{C}_j{X}^m{Y}^n$

$=C_1$

$+C_{2}X+C_{3}Y$

$+C_4{X}^2+C_5\mathrm{XY}+C_6{Y}^2$

${+C}_7{X}^3+C_8{X}^{2}Y+C_9{\mathrm{XY}}^2+C_{10}{Y}^3$

${+C}_{11}{X}^4+C_{12}{X}^{3}Y+C_{13}{X}^2{Y}^2+C_{14}{\mathrm{XY}}^3+C_{15}{Y}^4$

${+C}_{16}{X}^5+C_{17}{X}^{4}Y+C_{18}{X}^3{Y}^2+C_{19}{X}^2{Y}^3+C_{20}{\mathrm{XY}}^4$

$+C_{21}{Y}^5$

${+C}_{22}{X}^6+C_{23}{X}^{5}Y+C_{24}{X}^4{Y}^2+C_{25}{X}^3{Y}^3+C_{26}{X}^2{Y}^4$

${+C}_{27}{\mathrm{XY}}^5+C_{28}{Y}^6$

${+C}_{29}{X}^7+C_{30}{X}^{6}Y+C_{31}{X}^5{Y}^2+C_{32}{X}^4{Y}^3+C_{33}{X}^3{Y}^4$

${+C}_{34}{X}^2{Y}^5+C_{35}{\mathrm{XY}}^6+C_{36}{Y}^7$

                   ……

其中C_j为系数，j为1或者更大的整数。

通常自由形态曲面对于X-Z平面或者Y-Z平面中的任一平面都不对称。但是，在本实施例中，通过将所有的奇数项表达式设为0，可以形成其中存在平行于Y-Z平面的单对称面的自由形态曲面。例如，在定义公式(a)中，可以通过将以下各项C₂、C₅、C₇、C₉、C₁₂、C₁₄、C₁₆、C₁₈、C₂₀、C₂₃、C₂₅、C₂₇、C₂₉、C₃₁、C₃₃、C₃₅等的系数设为0。

以下对各光学作用面进行更加详细的说明。

透射面3(第1面)为用于折射入射光束51的光学作用面，并且由于其相对于轴上的主光束50而关于X轴偏心设置或者倾斜，所以透射面3用于在X轴方向上折射轴上的主光束50。

为简化制造，透射面3可以为例如一平面。然而，为简化像差补偿，优选地入射光束51为一会聚光束，减小其它光学作用面的光焦度，并且光焦度为正数。

当光焦度为正数时，优选地，在倾斜方向上非对称的Y-Z平面为对称的非旋转对称曲面的自由形态曲面，以减少偏心像差。

反射面4(第2面)为具有第一正光焦度的偏心光学系统的面，并且相对于由透射面3所折射的轴上的主光束50而偏心地设置，使得可以在第3面一侧上折叠光路。如图1A所示，该偏心量由轴上的主光束50与反射面4的相交点处的切平面和包括开口光阑2的平面之间形成的倾斜角θ1所表示。

反射面4可以通过对加工到所需曲率的介质的边界面涂敷适当的反射膜覆层来制造。如果可能，从第1面入射至反射面4上的光束可以被完全反射，并且省略反射膜覆层。

由于反射面4是在具有折射率为1或者更大的介质内反射光束的内反射面，因此即使在具有较小曲率的情况下也可以提供大的光焦度。

另一方面，由于反射面4为折射-反射面，因此出现由偏心所引起的像差，即偏心像差。为对该偏心像差进行补偿，优选地将该反射面4制作为回转非对称面。

反射面5(第3面)关于会聚光的轴上的主光束50偏心地或倾斜地设置，使得由反射面4所反射的会聚光可以在第4面上反射并折叠。反射面5的加工可以采用与反射面4相同的方式。

如图1A所示，将反射面5的偏心或倾斜量表示成在轴上的主光束50与反射面5相交点处的切平面和包括开口光阑2的平面之间所形成的倾斜角θ2。倾斜角θ1和θ2之间的关系满足以下公式。

30°≤|θ2-θ1|≤80°      (1)

为便于制造，该反射面5的形状可以为平面反射面。然而，为减少其它光学作用面的光焦度，理想地该反射面5具有正的光焦度。例如，可以使光焦度分布于反射面4和反射面5之间，并且可以连续地减少在各个面所出现的像差并且可以会聚输入光。

另选地，可以设置负光焦度，以对透射面3和反射面4上所发生的球差和彗差进行补偿。如果设置负光焦度，则可以改善离轴光束的Petzavl和，并且当输入光的张角较大时，可以获得令人满意的成像性能。

当设置光焦度时，理想地，可以采用回转非对称面来对偏心像差进行补偿。

如图1B所示，分路面6(第4面)为光操作面，将由反射面5反射的光束分成在内部反射并指向透射面7的反射光和透射到棱镜1的外部并在像面9上成像的透射光，并且分路面6关于入射光束轴上的主光束50而被偏心地或者倾斜地设置。如图1A所示，该偏心或者倾斜的量由轴上的主光束50与分路面6相交点处的切平面和包括开口光阑2的平面之间所形成的倾斜角θ3表示。

可以通过对介质的边界面进行诸如涂敷反射覆层或者半反镜(half-mirror)覆层等的表面处理以控制内部入射光的反射系数，来制造分路面6。

此外，当不必显著地提高反射系数时，可以通过由于介质的反射系数和空气的反射系数之差而发生的反射来对光路进行分路，并且可以省略诸如涂敷反射覆层或者半反镜覆层等的表面处理。在此情况下，所提供的优点在于，不出现与表面处理相关的问题，并且可以减少制造成本。

分路面6的形状相对于棱镜1的外部可以为凸形或者凹形，或者必要时为平面形状。

当向棱镜1的外部凸出时，通常通过一个面所获得的光焦度在反射一侧较大，并因此可以提供比透射光的光路更短的焦距。在此情况下，例如，可以在介质内将来自分路面6的反射光形成一图像，并可以在透射面7的附近形成图像。

当对成凸形或者凹形的分路面6设置光焦度时，理想地，采用回转非对称面以对偏心像差进行补偿。

当分路面6为平面时，反射光和透射光的成像性能可以近似相等。此外，如果采用平面且分路面6的制造涉及研磨，则当制造本身是采用铸造工艺时，将铸模制作成平面，因此简化了制造并降低了成本。

透射面7(第5面)为光学作用面，其中来自分路面6的反射光透过介质并且出射到棱镜1的外部。将分路面6设置成近似平行的或者呈一小角度偏心或者倾斜。在实践中，偏心或者倾斜的量由轴上的主光束50与透射面7相交点处的切平面与包括开口光阑2的平面之间形成的倾斜角θ4表示(参见图1A)，并且θ3与θ4之间的关系满足以下公式。

|θ4-θ3|≤20°     (2)

由于透射面7的形状在合适位置处将由分路面6所反射的光束在像面8上进行成像，因此透射面7可以采用具有正光焦度或负光焦度的曲面或者采用平面。

当采用具有光焦度的面时，理想地，反射面4为回转非对称面，以对偏心像差进行补偿。

此外，和分路面6一样，当采用平面时，制造得到简化，并且降低了成本。

通过设置这5个光学作用面，棱镜1可以将入射光束51在像面8和9上成像。在此情况中，为确保与光路长度相比而言的紧凑结构，理想地采用以下结构，在该结构中，适当设置各光学作用面的光焦度，使得偏心光学系统的傍轴焦距F(单位为mm)满足以下公式。

60(mm)≤F≤500(mm)      (3)

此外，为了确保该偏心光学系统相对光路长度而言是均衡的，以入射光瞳直径为D(单位为mm)，理想地可以采用其中比率F/D满足以下公式的配置。入射光瞳直径D为开口光阑2的直径。

2≤F/D≤15       (4)

以下顺着偏心光学系统的光路对棱镜1的效果进行说明。

由开口光阑2将入射光束51限制为入射光瞳的直径D，并且入射在透射面3上。

由于将透射面3相对于轴上的主光束50设置成关于X轴偏心或者倾斜，从而使入射光束51折射并且指向入射光轴之外。

然后光束进入介质之中，到达反射面4，并且被内部反射。由于反射面4具有正光焦度，并且关于X轴偏心，因此，光束被不断会聚，并且向附图中透射面3的顺时针方向(X轴的正方向)相邻设置的反射面5传播。由于反射面5与透射面3相邻，因此透过透射面3的光束不会由反射面5产生渐晕。

反射面4所反射的光束被反射面5内部反射，连续地受到根据反射面5的曲率确定的光学效应的作用，并且向附图中透射面3的顺时针方向(X轴的正方向)相邻设置的分路面6传播。由于此光束与从透射面3至反射面4的轴上主光束的光束相交，因此，该光束在棱镜1内被折成三角形。这里，由于分路面6与透射面3相邻，因此透过透射面3的光束不会由分路面6产生渐晕。

通过将表示该光路中反射面4和反射面5之间的倾斜程度的倾斜角|θ2-θ1|设置在如公式(1)所表示的范围之内，可以获得满意的成像性能。

当通过向反射面4提供非对称光焦度来补偿由于将轴上的主光束50施加到作为凹透镜的反射面4所产生的彗差时，上述范围表示可以对离轴光束的彗差进行满意补偿的范围。当倾斜角|θ2-θ1|超过80°时，向反射面4提供的光焦度的不对称性变得太大，并使离轴光束的彗差的补偿变得困难。

此外，当超出下限，即，倾斜角|θ2-θ1|小于30°时，则反射面4和反射面5之间的对称性被极大地破坏，并且像差到了无法补偿的程度。

为更好地减小像差以及实现令人满意的成像性能，理想地，倾斜角|θ2-θ1|的范围处于公式(1)的值域之内。例如，以下公式(5)为较理想的情况。

35°≤|θ2-θ1|≤70°   (5)

此外，公式(6)为更加理想的情况。

40°≤|θ2-θ1|≤60°   (6)

如图1A所示，由分路面6进行内部反射的光束连续地受到根据分路面6的曲率确定的光学效应的作用，并且与从透射面3到反射面4的光束轴上的主光束以及从反射面4到反射面5的光束轴上的主光束相交，并且向反射面5和反射面4之间的透射面7传播。即，该光束由反射面4、反射面5以及分路面6折成三角形，并在介质中传播。

到达透射面7的光束连续地受到根据透射面7的曲率和倾斜角确定的光学效应的作用，并出射到棱镜1的外部，并且在对应于此光路中的偏心光学系统的焦距的像面8上成像。

在此光路中，将表示分路面6和透射面7之间的平行程度的倾斜角|θ4-θ3|设在公式(2)的范围之内。通过设置该角度，使得这两个面近似地平行或者使倾斜角很小，可以减少焦平面中的像面的破坏，可以提供令人满意的成像性能，并且可以使该偏心光学系统小型化。

即，当倾斜角|θ4-θ3|超过30°时，从分路面6到透射面7的光束在透射面7中发生显著的折射，从而导致明显的离轴像差以及像面的破坏。因此，成像性能劣化，特别是当将光检测器布置在像面8上时，由于必须在远离棱镜1的方向上倾斜地设置光检测器，因此不能获得紧凑的装置。然而，在公式(2)的条件下可以避免此问题。

为减少像面的像差和破坏，理想地应该减小倾斜角|θ4-θ3|的公式(2)中的上限值。例如，

|θ4-θ3|≤20°       (7)

是更加理想的。

另一方面，如图1B所示，由分路面6所透射的光束连续地受到根据分路面6的曲率确定的光学效应的作用，并且出射到棱镜1的外部，并且在对应于该光路上偏心光学系统中的焦距的像面8上形成图像。

根据棱镜1，在像面8上形成图像的光路在折射率为1或者更大的介质中被反射三次，并且以紧凑的方式被折叠。因此，即使当光路很长时，也可以提供紧凑的偏心光学系统。

在此情况中，如果具有5个光学作用面的偏心光学系统的傍轴焦距F介于公式(3)的范围之内，则由于傍轴焦距F为500mm或更小，所以棱镜1自身的尺寸可以是能够充分加工高精度回转非对称面的尺寸。另外，由于傍轴焦距F为60mm或更大，所以不会发生光路的长度变得太短从而抑制光路折叠效果的情况。因此，光路的折叠效果不会受到抑制，并且可以在合理的范围内制造光路比较长的偏心光学系统并实现小型化。

因此，可以在要求相对较长光路的光学仪器(例如望远镜的透镜组以及用于空间光通信的光学仪器等)中采用上述情况，并且具有能够小而轻且低成本的优点。

优选地，与光路长度相比，为确保更好的平衡、小型化以及低成本，减小了公式(3)的范围。例如，

80(mm)≤F≤400(mm)    (8)

较理想，并且

100(mm)≤ F≤300(mm)  (9)

更理想。

另外，如果傍轴焦距F和入射光瞳直径D的比率F/D的范围介于公式(4)的范围之内，则比率F/D为15或者更小。因此，光路过长，使棱镜1变大，或者可以形成一偏心光学系统使得后焦距不会变得过长。此外，由于比率F/D是2或者更大，因此与焦距相比光束直径变大，并且由于NA较大，因此可以实现一偏心光学系统，在该偏心光学系统中，球差和彗差不会变得过大使得不能再对它们进行补偿。因此，与棱镜1的光路长度相比，保持了具有良好均衡性的设计，并且可以实现优异的成像性能。

优选地，减小比率F/D的值域，以确保实现更佳均衡化的偏心光学系统，例如，

3≤F/D≤10               (10)

较理想，并且

4≤F/D≤8                (11)

更理想。

更理想地，可以将条件表达式(1)至(11)适当地进行组合。

此外，由于该5个光学作用面中的至少两个为回转非对称面，因此，该至少两个光学作用面对于与轴上主光束50相关的次光束是非对称曲面，并且由于通过它们的组合可以精确地补偿偏心像差，因此可以提供几乎不具有偏心像差的偏心光学系统。

在此情况中，所有的5个面可以都为回转非对称面。如果该回转非对称面的数量以此方式增加，则可以非常精确地对像差进行补偿。此外，在这些光学作用面之间分配补偿量具有使各个曲面具有容易制造的形状的优点。

如果两个回转非对称面所需的偏心像差补偿是可能的，则可以将其它的光学作用面容易地制造成旋转对称面或者平面，并且可以降低制造成本。特别地，使用一个或两个平面可以极大降低制造成本。

另外，在本实施例中，通过分路面6将光束分路。通过改变分路面6的曲率和透射面7的曲率，可以使分路后的各光路的光学性能，例如傍轴焦距变得相等或者不同。

因此，当改变像面8和9上的图像的大小以及入射光束51的入射视场角时，对于像面8和9移动量可以是不同的情况。在此情况中，例如，使用形成在像面8和9上的图像的位置检测器具有以下优点，即，可以实现以不同的检测精度来检测入射光束51的张角的变化。

图2是一光路图，示出了当入射视场角为0°或者±3°时通过棱镜1的分路面6的光路。

以下说明了本实施例的一个变型例。

图3是一截面图，说明了根据本发明第一实施例作为偏心光学系统的棱镜的变型例的形状和光路。光路由各自的入射视场角为0°和±0.5°的一个主光束与两个次光束表示。

在该变型例中的棱镜22中，用透射面23(第1面)替代棱镜1的透射面3，用反射面24(第2面)替代棱镜1的反射面4，用反射面25(第3面)替代棱镜1的反射面5，用分路面26(第4面)替代棱镜1的分路面6，并且用透射面27(第5面)替代棱镜1的透射面7。以上述方式将各光学作用面偏心地或者倾斜地设置，并且各面具有相同形状。以同样方式，理想地，满足公式(1)至(4)，尤其是满足公式(5)至(11)中的适当组合。

另一方面，在该变型例中，与上述情况不同的是，按以下顺序沿附图中的逆时针方向的周边方向(X轴的正方向)设置多个光学作用面：透射面23、分路面26、透射面27、反射面24、以及反射面25。此外，在分路面26和透射面27之间，以及在透射面27和反射面24之间，沿周边方向设置不用作光学作用面的边界面36和35。因此，自分路面26射向反射面17的光束轴上的主光束50不与光束轴上的其它主光束50相交。

即，该变型例的光路被折叠成包括透射面23、反射面24以及反射面25的三角形，并且该光路被分路面26分成反射光和透射光。然后，透射光从棱镜22出射，并且在该透射光于像面34上形成图像的那一点上，该光通过一公共点。然而，由分路面26所反射的光束通过透射面27，而不与其它光路交叉，并且射出棱镜且在像面28上形成图像。

该结构的优点在于，即使当分路面26的光焦度较大时，也可以将像面28设置在棱镜22的外部。此外，可以将从透射面27向像面28所出射的光的光路以与入射光束51近似相同的方向出射，当在棱镜22的后方(附图的右侧)存在空间时这一点便于布局。

如果可以确保光束的有效直径，则还可以对棱镜1适当地设置不用作光学作用面的多个边界面(如介质的边界面36和35)。这种边界面可以，例如提供作为定位棱镜1所采用的承压面，并且作为防止边角碎裂所采用的斜面等等。

此外，由于该结构使得在包含弯曲光轴的平面内该棱镜的最大长度L与入射光瞳直径D的关系为

1.3＜L/D＜2.1                 (12)

因此，可以实现非常紧凑的偏心光学系统。

[第二实施例]

以下说明了本发明的第二实施例的偏心光学系统。

图4为说明根据本发明第二实施例的偏心光学系统的概要剖面图。图5为一光路图，显示了根据本发明第二实施例的偏心光学系统的光路的一个示例。将该光路表示为一个主光束和两个次光束，在图5A中所述三个光束分别具有0°和±0.5°的入射角，而在图5B中分别具有0°和±0.2°的入射角。

以下说明了根据本发明第二实施例的偏心光学系统40。

根据本发明的第二实施例，偏心光学系统40是用于将入射光束51在光检测器29和33上形成图像的偏心光学系统，并且除光检测器29和33外，还具有开口光阑2、棱镜10(偏心光学系统)、反射镜30、反射光学器件31、以及电镜(galvanomirror)32(光偏转器件)。

如果棱镜10是与第一实施例中相同的棱镜，并且采用合适的聚光器件来会聚从棱镜出射到棱镜外部的光，则任意结构都是令人满意的。以下说明采用其结构类似于棱镜1结构的示例，在该结构中可以会聚出射光。

即，如图5A所示，在该结构中对棱镜1进行了以下替换，用透射面11(第1面)替代透射面3，用反射面12(第2面)替代反射面4，用反射面13(第3面)替代反射面3，用分路面14(第4面)替代分路面6，并且用透射面15(第5面)替代透射面7。以上述方式将各光学作用面偏心地或者倾斜地设置，并且各面具有相同形状。以同样方式，理想地，满足公式(1)至(4)，特别是，满足公式(5)至(11)中的适当组合。

由分路面14所反射的光束通过透射面15，并且在棱镜10附近的像面16上形成为图像(以下将该光路称为“反射光路”)，并且由分路面14所透射的光束在离分路面14一定距离的位置形成为图像，该距离足以使该光路通过反射面17发生折叠(以下将该光路称为“透射光路”)。

反射镜30具有反射面17，并且相对于棱镜10而位置固定，以确保从分路面14出射的光束以适当的方向折叠。由于从分路面14所出射的光束按照相对于入射光束51具有一定倾斜角的方向出射，因此通过适当设置反射镜30的安装角度，可以将光路切换到入射光束51的近似方向。

将反射光学器件31置于透射光路上图像形成面的后方，并且是一集成光学器件，包括：准直反射面18(具有正光焦度的光学器件)，具有正光焦度以确保形成图像后散射的光束是近似平行光束；以及凹反射面20(聚光器件)，具有正光焦度以确保当近似平行光束由准直反射面18所折叠时该光束在像面21上所需位置处形成图像。

理想地，准直反射面18、以及凹反射面20都是回转非对称面，以减小偏心像差。

可以由诸如金属、光学玻璃、或者塑料等加工该反射光学器件31的各反射面的形状，或者，如果可能可以通过利用金属模具成型来制备，并涂敷反射膜。

将准直反射面18和凹反射面20制作成一体单元具有以下优点，即，可以取消对位置关系的调节，而同时可以提供一种紧凑并且低成本的器件。另选地，如果分开制造准直反射面18和凹反射面20，则可以将它们设置在彼此需要的位置上。在此情况中，由于该准直反射面18和凹反射面20是分开制造的，所以根据反射面的形状，在某些情况下可以简化制造工艺。

电镜32提供了旋转反射面19，并且可以快速地将近似平行光束反射成所需的反射角，该旋转反射面19是由准直反射面18所反射的近似平行光束所形成的出射光瞳附近的位置处的一平面形成的。

光检测器29和33的光接收面为置于像面16和21上的光传感器。例如，在望远镜透镜的应用中，可以采用CCD(电荷耦合器件)成像器件通过光电转换将图像转换成数字信号，并且将其发送到监视器等，而在光通信的应用中，可以采用光电转换器件通过光电转换将图像的光强度转换成波形数据，然后提取调制信号。

此外，当入射光束51在两个轴方向上具有入射视场角时，二维地检测到由光束所形成的图像的位置，并且可以在光检测器29和33中的至少一个中采用位置传感器(PSD)，作为检测输出检测信号的器件，或者可以采用四部光检测器(four-part PD)。由于利用PSD或者四部PD来对光束进行位置检测是公知的，因此省略详细说明。PSD和四部PD具有在形成相对低成本的位置检测器件的同时保持高度精确的优点。

另外，代替上述情况，可以对来自CCD数字成像器件的数字图像信号进行适当的图像处理，并且检测图像形成的位置。在此情况中，可以同时观测图像并检测位置。

此外，光检测器29可以是用于宽泛位置检测的CCD，而光检测器33可以是用于精确位置检测的四部PD，并且如果光检测器33还是接收用于光通信的调制信号的光检测器，则可以实现通过较少部件进行空间光通信的光学仪器。

以下说明了本实施例的偏心光学系统的作用。

由于棱镜10的作用，入射在开口光阑2的入射光束51在光检测器29和33上形成图像，而不发生渐晕。此外，除了与光路长度相比棱镜10可以具有紧凑结构以外，可以利用反射镜30使透射光路紧凑地折叠。

另一方面，利用光检测器29和33可以将像面16和21上的图像转换为适当的电子信号，并且观测到这些图像并提取通信信号。

在此情况中，用位置检测器件替代光检测器29和33中的至少一个使得可以检测到入射视场角的改变。当进行控制以利用来自如本实施例中所采用的PSD或四部PD的检测信号而调节偏心光学系统40的位置时，可以从所需位置接收到光束。

在此情况中，由于设置有电镜，因此尽管响应于入射光束51的张角变化而改变电镜32的检测角，但可以使接收光的光检测器33的位置保持恒定。

此时，由于入射到电镜32上的光束为近似平行光束，因此可抑制由制造过程中的误差和定位旋转反射面19的误差所导致的像差，并且可以获得令人满意的成像性能。

此外，由于将电镜32置于出射光瞳附近，因此旋转反射面19上的有效反射面大致恒定，并且可以减小旋转反射面19的尺寸。因此，可以构造小型且低成本的偏心光学系统。

根据本实施例的偏心光学系统40，即使在光学仪器具有较长光路的情况下，也可以利用具有优异成像性能的紧凑型偏心光学系统来在多个光检测器的光接收面上形成图像，且不会发生输入光的损失。因此，通过改变各光检测器和光接收面的成像性能，可以在多种应用中采用输入光。

特别地，由于提供了光反射器件，因此当输入光的入射视场角改变时，可以使成像的位置保持恒定，并且可以获得有助于更加稳定的观测和信号接收的优点。

[第三实施例]

以下说明了本发明的第三实施例的光学仪器。

图6是一示意图，显示出根据本发明第三实施例的光学仪器的概要配置。

以下说明了根据本发明的第三实施例的光学仪器100。

光学仪器100的概要结构包括聚光单元60和万向台(移动机构)44。

聚光单元60配有：外壳43(聚光单元的外部)、根据第二实施例的光学仪器40、控制仪器(位置控制器件)、偏转控制器件32a、光源45、光检测器33和46、光路分路器件47和48、准直透镜52、53以及54、光学器件55、以及输入信号控制单元42。

外壳43为双用部件，既作为一起支撑下述各元件的支撑部件，也用作外部部件，并且适当地采用例如盒状。在该外壳的外表面部分设有一开口光阑43a，作为形成入射光束51的入射光瞳的开口。即，当在正常使用条件下由入射光束51照射外壳43时，该开口光阑43a作为调节光束51的直径的第一实际光阑，并且实际实现了开口光阑2。

开口光阑43a可以由外壳43和其它元件形成，除将其设置在外壳43的外表面以外没有限制要求。例如，在正常使用条件下，如果不存在反射入射光束51的可能性，则可以在开口光阑43a的周围设置一遮光罩等，以防止眩光。

此外，开口光阑43a仅需要在光学意义上开口，例如，可以覆盖一透射需要会聚的波长的玻璃罩。

通过适当的支撑部件(附图中未示出)将该偏心光学系统40固定于外壳43，使得开口光阑43a位于开口光阑2的位置。图4和图5中示出了偏心光学系统40，并且由于该系统40具有在第二实施例中所说明的配置，因此可以省略单独的说明。在本实施例中，第二实施例的棱镜部分为偏心光学系统40，并且在图6中示意性地示出。由偏心光学系统40所出射的光被反射镜30偏转并形成图像。在图像形成后，该光由光检测器55形成为近似平行，并且将偏转器件的电镜32置于出射光瞳的位置上。

控制单元41采用光检测器29的光学输出信号作为输入信号，并且检测光束在光检测器29上形成的图像的位置，计算目标位置的位移，输出聚光单元60的位移，并且产生位置检测信号(检测输出)，并且还产生控制信号(检测输出)，以根据计算结果来移动聚光单元60。

根据控制单元33a的位置检测信号，偏转控制器件32a补偿在光检测器46上形成图像的位置的位移，并且控制电镜32的偏转角。

输入信号控制单元42对通过对形成在光检测器46上的图像进行光电转换而获得的电信号进行适当的信号处理，并且把处理后的信号发送至聚光单元60之外的设备。此外，如果光检测器46结合了位置检测器件，则可以省略光检测器33，并且四部PD的使用使得可以将位置检测信号反馈至偏转控制器件32a，并且使用其作为用于对电镜32进行精密调节的控制信号。

此外，特别地，为了用作空间光通信中的光检测器部分，光检测器33还可以作为检测调制光的器件，并且可以通过输入信号控制单元42对该调制光进行适当的波形处理。

此外，光源45是LD芯片(半导体激光器)，并且根据来自输出控制单元(附图中未示出)的信号，输出光学信号。出射光由准直透镜52进行优化，并且通过与接收光时相反的光路，将其作为光学信号发送到与偏心光学系统40的入射光瞳分离的位置上的类似光检测器装置。这里，如果省略光检测器和其它相关部件时，该系统可以专门用于传输。

万向台44为支撑聚光单元60的移动机构，从而可以在两个轴的空间方位中对该聚光单元60进行控制，并且万向台44配有支撑在支撑部件44c上的倾斜驱动部件44a和水平旋转驱动部件44b，以及用于控制倾斜驱动部件44a和水平旋转驱动部件44b之间的移动量的驱动控制装置44d。

水平旋转驱动部件44b和倾斜驱动部件44a能够分别在垂直和水平轴上转动到指定的角度，并且可以由包括用于控制各转动角的控制马达(附图中未示出)等的机构来驱动。

驱动控制器件44d根据控制单元41所产生的控制信号来计算倾斜驱动部件44a和水平转动驱动部件44b的转动驱动量，并且提供规定的转动驱动。

根据本实施例的光学仪器100，当入射光束51进入开口光阑43a时，在光检测器29、33和46上形成多个图像，然后可以从光检测器46中提取在入射光束51上传输的输入信号。

在此情况下，当相对于开口光阑43a保持该入射视场角时，所形成的各图像的位置由于入射光路51的波动而发生偏移，或者引起聚光单元60的不适当的取向。但是，在本实施例中，由于控制单元41检测到在光检测器29上形成图像的位置的位移量，因此可以由传送到驱动控制器件44d的控制信号来驱动万向台44，并且可以控制聚光单元60的空间方位。

此外，光检测器33检测到形成图像的位置的小位移，控制单元33a将位置检测信号发送到偏转控制器件32a，并且控制电镜32以消除该位移。

通常，从光学仪器100所提取的多个信号通常对入射视场角的变化很敏感，例如，具有大的放大倍率的透镜组(如望远镜的透镜组)，以及其中接收光电平的变化导致信号噪声的光通信。因此，如果仅利用万向台44来控制空间方位，则必需高度精确且快速响应的机构，而且仪器可能会变得非常昂贵。

利用万向台44的空间方位控制可以包括：从控制目标进行较大位移的粗略移动；以及电镜32进行控制使偏转控制器件32a能够快速驱动来进行更精确的定位，以确保在光检测器33上形成图像的位置保持恒定。在此情况中，可以将图像形成在相对于光检测器33的恒定位置上，而不必提供高度精确且快速响应的机构，并且可以始终都在稳定的状况下接收光。

根据本实施例的光学仪器100，可以提供该第一和第二实施例的偏心光学系统的操作效果，同时该光学仪器100可以是一种能够以高精度且高效率对输入光进行光学追踪的光学仪器。

此外，在本实施例中，由于诸如焦距等的成像性能可以随反射光路和透射光路而变化，因此当入射视场角变化时，可以改变在光检测器29和33上的图像的移动量。因此可以采用以下构造：利用一个光检测器来检测宽范围的移动，而利用其它的光检测器来检测窄范围的移动，同时，前者的检测信号用于控制万向台44的粗略移动，而后者的检测信号用于控制万向台44的精密移动。在此情况中，前者针对宽范围进行快速移动，并且当接近目标位置时，由后者进行精确的移动，并且因此可以对全部范围的移动进行精确的控制。

[示例1]

以下参照图1A和图1B对上述第一实施例的偏心光学系统的第一数值示例进行说明。

以下给出该第一数值示例的光学仪器的配置参数。图1A和1B中所示的标号r_i和n_i(其中i为整数)对应于以下所示的光学仪器的配置参数的r_i和n_i。折射率表示对于d光束(波长为587.56nm)的折射率。

光路1是由分路面6所反射的光束的光路(图1A)。光路2是透射过分路面6的光束的光路(图1B)。

在自由形状表面(FFS)和偏心的数据中，对光路1和2通用的数据用[]中的相同数字表示，以避免重复。

关于坐标系，由于前面已说明过，因此省略其说明。在偏心表达式中的符号α、β和γ分别表示作为倾斜角方向的上述方向的角度。长度的单位为(mm)而角度的单位为(°)。此外，以数据适当地标出偏心的原点和转动的中心。

由上述公式(a)给出自由形状表面(FFS)。对于自由形状表面无数据描述，并且将与非球面相关的项记作0。

(光路1)

面编号  曲率半径          面间隔  偏心                折射率        阿贝数

物面    ∞                ∞

1       光阑面            d₁＝0.00  偏心[1]

2       FFS[1]            d₂＝0.00  偏心[2]        n₁＝1.5254 ν₁＝56.2

3       FFS[2]            d₃＝0.00  偏心[3]        n₂＝1.5254 ν₂＝56.2

4       FFS[3]            d₄＝0.00  偏心[4]        n₃＝1.5254 ν₃＝56.2

5       FFS[4]            d₅＝0.00  偏心[5]        n₄＝1.5254 ν₄＝56.2

6       ∞                d₆＝0.00  偏心[6]

像面    ∞                d₇＝0.00  偏心[7]

                         FFS[1]

C₄     1.0403×10-2     C₆    1.5800×10-3    C₈         4.0404×10^-5

C₁₀    -4.5525×10^-5   C₁₁    5.7000×10^-7   C₁₃        5.1879×10^-7

C₁₅    -4.6448×10^-7   C₁₇    1.0831×10^-8   C₁₉        2.0907×10^-8

C₂₁    -1.5506×10^-8

                          FFS[2]

C₄     9.4786×10^-4     C₆    -2.7811×10^-3    C₈     2.1054×10^-5

C₁₀    -2.8245×10^-5    C₁₁    -3.6758×10^-7    C₁₃    1.5044×10^-7

C₁₅    -2.6061×10^-7    C₁₇    -7.2898×10^-9    C₁₉    1.2435×10^-8

C₂₁    -4.4433×10^-8

                          FFS[3]

C₄     -1.4560×10^-3    C₆    -5.2630×10^-3    C₈     1.1131×10^-5

C₁₀    -8.6615×10^-5    C₁₁    -1.7864×10^-6    C₁₃    -5.1057×10^-8

C₁₅    -1.5856×10^-6    C₁₇    -4.2489×10^-8    C₁₉    9.7969×10^-8

C₂₁    -4.5857×10^-8

                          FFS[4]

C₄     8.0528×10^-6     C₆    -1.2312×10^-4    C₈     6.4693×10^-6

C₁₀    2.6746×10^-6     C₁₁    1.3067×10^-8     C₁₃    1.2140×10^-7

C₁₅    -4.9692×10^-8    C₁₇    -1.2786×10^-8    C₁₉    -5.1320×10^-8

C₂₁    6.7108×10^-8

                        偏心[1]

X      0.00             Y      0.00             Z      0.00

α            0.00             β            0.00             γ            0.00

                        偏心[2]

X      0.00             Y      0.00             Z      13.42

α            -17.89           β            0.00             γ            0.00

                        偏心[3]

X      0.00             Y      -5.30            Z      62.09

α            -28.63           β            0.00             γ            0.00

                        偏心[4]

X      0.00             Y      27.51            Z      35.55

α            -77.78           β            0.00             γ            0.00

                        偏心[5]

X      0.00             Y      -32.18           Z      20.09

α       -114.52     β       0.00        γ         0.00

                偏心[6]

X    0.00       Y    26.48       Z    60.42

α        52.06      β       0.00        γ         0.00

                偏心[7]

X    0.00       Y    35.00       Z    65.90

α       45.23       β       0.00        γ         0.00

(光路2)

面编号      曲率半径       面间隔        偏心         折射率      阿贝数

物面        ∞              ∞

1          光阑面          d₁＝0.00     偏心[1]

2          FFS[1]          d₂＝0.00     偏心[2]    n₁＝1.5254 ν₁＝56.2

3          FFS[2]          d₃＝0.00     偏心[3]    n₂＝1.5254 ν₂＝56.2

4          FFS[3]          d₄＝0.00     偏心[4]    n₃＝1.5254 ν₃＝56.2

5          FFS[4]          d₅＝0.00     偏心[5]    n₄＝1.5254 ν₄＝56.2

像面       ∞              d₈＝0.00     偏心[8]

偏心[8]

X    0.00                 Y    -88.22              Z    10.98

α        86.89                β        0.00                γ         0.00

利用这种棱镜1，|θ2-θ1|＝49.15(°)并且|θ4-θ3|＝13.42(°)，并且满足公式(1)和(2)。此外，也满足公式(6)和(7)。

以下是入射光瞳直径D和半视场角φ_X，φ_Y。D＝40(mm)，φ_X＝0.5(°)，φ_Y＝0.5(°)。

以下是傍轴焦距F_X，F_Y，全视场角图像高度H_X，H_Y，以及比率F/D。

光路1：F_X＝229.50(mm)，F_Y＝229.05(mm)

       H_X＝4.005(mm)，H_Y＝3.997(mm)

       F/D＝5.732

光路2：F_X＝228.84(mm)，F_Y＝229.59(mm)

        H_X＝4.003(mm)，H_Y＝3.994(mm)

        F/D＝5.730

其中下标X和Y是关于X和Y轴方向上的距离。此外，这些符号表示关于X和Y轴的旋转角。在以下示例中对这些符号采用类似的表示。

因此，光路1和光路2都满足公式(3)和(4)。并且，也满足公式(9)和(11)。

此外，如图2所示，其中D＝40(mm)，φ_X＝3(°)，φ_Y＝3(°)，F_X＝228.84(mm)，F_Y＝229.59(mm)，H_X＝24.17(mm)，H_Y＝24.06(mm)以及F/D＝5.730。

如上所述，在此示例中，棱镜1可配置有作为回转非对称面的透射面3、反射面4、反射面5、分路面6、以及透射面7。

[示例2]

以下参照图3对上述第一实施例的偏心光学系统的第二数值示例进行说明。

以下给出该第二数值示例的光学仪器的配置参数。图3中所示的标号r_i和n_i(其中i为整数)对应于以下所示的光学仪器的配置参数的r_i和n_i。折射率表示对于d光束(波长为587.56nm)的折射率。

光路1是由分路面26所反射的光束的光路。光路2是透射过分路面26的光束的光路。

坐标系等与上述示例1所述的情况相同。

(光路1)

面编号   曲率半径      面间隔     偏心           折射率    阿贝数

物面     ∞            ∞

1        光阑面        d₁＝0.00  偏心[1]

2        FFS[1]        d₂＝0.00  偏心[2]    n₁＝1.5254 ν₁＝56.2

3        FFS[2]        d₃＝0.00  偏心[3]    n₂＝1.5254 ν₂＝56.2

4        FFS[3]        d₄＝0.00  偏心[4]    n₃＝1.5254 ν₃＝56.2

5        FFS[4]        d₅＝0.00  偏心[5]    n₄＝1.5254 ν₄＝56.2

6        r₆＝26.05    d₆＝0.00  偏心[6]

像面     ∞            d₇＝0.00  偏心[7]

                                 FFS[1]

C₄     1.1768×10^-2     C₆    3.2380×10^-3     C₈     3.9745×10^-5

C₁₀    1.9358×10^-5     C₁₁    6.9717×10^-7     C₁₃    -2.5583×10^-7

C₁₅    -6.6237×10^-7    C₁₇    1.4231×10^-8     C₁₉    9.6078×10^-9

C₂₁    -8.5636×10^-10

                                 FFS[2]

C₄     1.7737×10^-3     C₆    -2.8338×10^-3    C₈     3.6677×10^-5

C₁₀    -1.2822×10^-5    C₁₁    -6.3761×10^-7    C₁₃    -1.4547×10^-7

C₁₅    -3.8695×10^-7    C₁₇    -1.7742×10^-8    C₁₉    -8.6154×10^-9

C₂₁    -4.1870×10^-9

                                 FFS[3]

C₄     -1.2600×10^-3    C₆    -7.4387×10^-3    C₈     4.1848×10^-5

C₁₀    -3.7975×10^-5    C₁₁    -1.1691×10^-6    C₁₃    -2.1702×10^-6

C₁₅    -5.1633×10^-6    C₁₇    -1.6348×10^-8    C₁₉    -1.9428×10^-8

C₂₁    4.1351×10^-8

                                 FFS[4]

C₄     -2.0744×10^-3    C₆     -2.7480×10^-3    C₈     1.4086×10^-5

C₁₀    2.9285×10^-6     C₁₁    5.0482×10^-6     C₁₃    1.0163×10^-6

C₁₅    -1.4497×10^-6    C₁₇    -3.9632×10^-7    C₁₉    2.1132×10^-7

C₂₁    7.0389×10^-8

                        偏心[1]

X     0.00              Y     0.00                Z     0.00

α          0.00              β         0.00                 γ         0.00

                        偏心[2]

X     0.00              Y     -0.00               Z     14.20

α          -17.46            β         0.00                 γ         0.00

                        偏心[3]

X     0.00              Y     -5.26               Z     63.59

α          -28.70            β         0.00                 γ         0.00

              偏心[4]

X   0.00      Y    25.86         Z    38.71

α      -78.30    β       0.00           γ       0.00

              偏心[5]

X   0.00      Y    -40.83        Z    20.43

α      -134.20   β       0.00           γ       0.00

              偏心[6]

X   0.00      Y    -22.22        Z    48.65

α      30.00     β       0.00           γ       0.00

              偏心[7]

X   0.00      Y    -27.74        Z    74.66

α      25.00     β       0.00           γ       0.00

  (光路2)

面编号      曲率半径      面间隔     偏心         折射率       阿贝数

物面         ∞            ∞

1           光阑面       d₁＝0.00   偏心[1]

2           FFS[1]       d₂＝0.00   偏心[2]    n₁＝1.5254 ν₁＝56.2

3           FFS[2]       d₃＝0.00   偏心[3]    n₂＝1.5254 ν₂＝56.2

4           FFS[3]       d₄＝0.00   偏心[4]    n₃＝1.5254 ν₃＝56.2

5           FFS[4]       d₅＝0.00   偏心[5]    n₄＝1.5254 ν₄＝56.2

像面        ∞           d₈＝0.00   偏心[8]

                         偏心[8]

X     0.00     Y    -90.61       Z    23.05

α         93.45     β       0.00         γ        0.00

利用这种棱镜22，|θ2-θ1|＝49.60(°)并且|θ4-θ3|＝15.80(°)，并且满足公式(1)和(2)。此外，也满足公式(6)和(7)。

以下是入射光瞳直径D和半视场角φ_X，φ_Y。D＝40(mm)，φ_X＝0.5(°)，φ_Y＝0.5(°)。

以下是傍轴焦距F_X，F_Y，全视场角图像高度H_X，H_Y，以及比率F/D。

光路1：F_X＝239.24(mm)，F_Y＝221.36(mm)

       H_X＝4.176(mm)，H_Y＝3.903(mm)

       F/D＝5.758

光路2：F_X＝218.09(mm)，F_Y＝236.14(mm)

       H_X＝3.806(mm)，H_Y＝4.092(mm)

       F/D＝5.678

因此，光路1和光路2都满足公式(3)和(4)。并且，也满足公式(9)和(11)。

如上所述，在此示例中，棱镜22可配置有作为回转非对称面的透射面23、反射面24、反射面25和分路面26，以及作为偏心球面的透射面27。

[示例3]

以下参照图5A和图5B对上述第二实施例的偏心光学系统的第三数值示例进行说明。

以下给出该第三数值示例的光学仪器的配置参数。图5中所示的标号r_i和n_i(其中i为整数)对应于以下所示的光学仪器的配置参数的r_i和n_i。折射率表示对于d光束(波长为587.56nm)的折射率。

光路1是由分路面14所反射的光束的光路。光路2是透射过分路面14的光束的光路。

坐标系等与上述示例1所述的情况相同。

(光路1)

面编号   曲率半径    面间隔       偏心          折射率        阿贝数

物面     ∞          ∞

1        光阑面      d₁＝0.00    偏心[1]

2        FFS[1]      d₂＝0.00    偏心[2]    n₁＝1.5254   ν₁＝56.2

3        FFS[2]      d₃＝0.00    偏心[3]    n₂＝1.5254   ν₂＝56.2

4        FFS[3]      d₄＝0.00    偏心[4]    n₃＝1.5254   ν₃＝56.2

5        FFS[4]      d₅＝0.00    偏心[5]

6         FFS[5]       d₆＝0.00    偏心[6]

像面       ∞          d₇＝0.00    偏心[7]

                              FFS[1]

C₄    1.2009×10^-2   C₆    5.1590×10^-3   C₈     3.5062×10^-5

C₁₀   -6.4558×10^-5  C₁₁    9.0361×10^-7   C₁₃    -2.9265×10^-7

C₁₅   -4.5641×10^-7  C₁₇    1.7009×10^-8   C₁₉    3.4164×10^-8

C₂₁   1.0394×10^-8

                              FFS[2]

C₄    8.0565×10^-4   C₆    -2.3781×10^-3  C₈     2.6737×10^-5

C₁₀   4.8088×10^-6   C₁₁    -6.0483×10^-7  C₁₃    -1.9035×10^-7

C₁₅   1.2972×10^-8   C₁₇    -2.0064×10^-8  C₁₉    -4.6527×10^-9

C₂₁   8.2792×10^-10

                              FFS[3]

C₄    -2.4418×10^-3  C₆    -5.8699×10^-3  C₈     9.8728×10^-6

C₁₀   1.6060×10^-5   C₁₁    -3.3895×10^-6  C₁₃    -3.4277×10^-6

C₁₅   -7.4697×10^-7  C₁₇    -1.0451×10^-7  C₁₉    -1.1100×10^-7

C₂₁   -3.0357×10^-8

                              FFS[4]

C₄    9.0903×10^-5   C₆    4.5278×10^-7   C₈     6.7292×10^-6

C₁₀   5.5388×10^-6   C₁₁    1.3522×10^-7   C₁₃    -2.7277×10^-7

C₁₅   -3.4648×10^-8

                              FFS[5]

C₄    -6.0728×10^-4  C₆     -5.0141×10^-4  C₈     8.1619×10^-5

C₉    2.0218×10^-4   C₁₁    7.5242×10^-5   C₁₃    -1.9077×10^-6

C₁₅   3.5305×10^-6

                   偏心[1]

X     0.00        Y     0.00       Z    0.00

α          0.00        β          0.00       γ         0.00

                   偏心[2]

X   0.00      Y    -0.00        Z  10.49

α      -15.70    β        0.00         γ     0.00

              偏心[3]

X   0.00      Y    -4.12        Z  53.75

α      -31.77    β        0.00         γ     0.00

              偏心[4]

X   0.00      Y    26.18        Z  34.90

α      -80.05    β        0.00         γ     0.00

              偏心[5]

X   0.00      Y    -33.82       Z  22.14

α      -109.30   β        0.00         γ     0.00

              偏心[6]

X   0.00      Y    24.40        Z  50.96

α      -119.25   β        0.00         γ     0.00

              偏心[7]

X   0.00      Y    30.90        Z  54.35

α      67.24     β        0.00         γ     0.00

(光路2)

面编号  曲率半径   面间隔         偏心        折射率       阿贝数

物面    ∞         ∞

1    光阑面        d₁＝0.00      偏心[1]

2    FFS[1]        d₂＝0.00      偏心[2]    n₁＝1.5254 ν₁＝56.2

3    FFS[2]        d₃＝0.00      偏心[3]    n₂＝1.5254 ν₂＝56.2

4    FFS[3]        d₄＝0.00      偏心[4]    n₃＝1.5254 ν₃＝56.2

5    FFS[4]        d₅＝0.00      偏心[5]

8    ∞(镜面)      d₈＝0.00      偏心[8]

9    FFS[6]        d₉＝0.00      偏心[9]

10   ∞(镜面)      d₁₀＝0.00     偏心[10]

11    FFS[7]    d₁₁＝0.00      偏心[11]

像面  ∞        d₁₂＝0.00      偏心[12]

                             FFS[6]

C₄   2.7942×10^-2   C₆    1.6729×10^-2  C₈     3.1642×10^-4

C₁₀  -2.8669×10^-4  C₁₁    9.2135×10^-5  C₁₃    -7.8717×10^-4

C₁₅  -1.7387×10^-5

                             FFS[7]

C₄   3.9719×10^-2   C₆    3.3782×10^-2  C₈     -7.2471×10^-4

C₁₀  -5.6703×10^-4  C₁₁    4.6858×10^-5  C₁₃    1.2169×10^-4

C₁₅  2.9809×10^-5

                    偏心[8]

X    0.00           Y      -41.74        Z      21.00

α        37.20          β            0.00          γ            0.00

                    偏心[9]

X    0.00           Y      -48.00        Z      69.10

α        132.72         β            0.00          γ            0.00

                    偏心[10]

X    0.00           Y      -35.24        Z      68.46

α        -75.88         β            0.00          γ            0.00

                    偏心[11]

X    0.00           Y      -46.31        Z      73.71

α        92.63          β            0.00          γ            0.00

                    偏心[12]

X    0.00           Y      -38.80        Z      76.46

α        74.88          β            0.00          γ            0.00

利用这种棱镜10，|θ2-θ1|＝48.28(  )并且|θ4-θ3|＝9.949(  )，并且满足公式(1)和(2)。此外，也满足公式(6)和(7)。

以下是入射光瞳直径D和半视场角φ_X，φ_Y。D＝40(mm)，φ_X＝0.5(°)，φ_Y＝0.5(°)。

以下是对应于图5A的光路1的傍轴焦距F_X，F_Y，全视场角图像高度H_X，H_Y，以及比率F/D。

光路1：F_X＝229.19(mm)，F_Y＝229.30(mm)

       H_X＝4.000(mm)，H_Y＝4.002(mm)

       F/D＝5.731

因此，满足公式(3)和(4)。并且，也满足公式(9)和(11)。但未示出光路2的计算值，但该结构同样满足公式(3)和(4)以及(9)和(11)。

如上所述，在此示例中，作为偏心光学系统的棱镜10可配置有作为回转非对称面的透射面11、反射面12、反射面13、分路面14以及透射面15。

在光路2上设置有作为聚光器件的准直反射面18和凹反射面20，作为回转非对称面，并且，通过定位反射面7和旋转反射面19，可以构成将分路面14的透射光会聚到像面21上的偏心系统。

在第一和第二示例的说明中，该示例是对于偏心光学系统中的第4面作为分路面而给出的。但是，当不需要两个不同的光路时，或者在光路从第4面或者第5面输出之后分路形成多个光路时，则第4面不必为分路面。另选地，该面可以是分路面，但只使用反射光或者透射光中的一个。

以第4面作为反射面，则仅使用从第5面所出射的光束，并且以第4面作为透射面，则可以使用从第4面所出射的光束。在这些情况中，第4面的覆层可以采用低透射的反射覆层，或者低反射覆层(AR覆层)。

在第一和第二实施例的说明中，说明了以下示例，其中，将用于控制对于第4面内的入射光的反射系数的反射覆层形成为半反镜覆层。然而，对于第4面的分路面可以采用其它覆层。

例如，为了对应于到达第4面的光束的偏振条件来进行分路，可以形成偏振光束分离(PBS)覆层。通过根据输入光到达第4面之前的偏振条件而改变PBS覆层，可以调节所分路的光量比。此外，如果必要，可以在适当的位置设置诸如起偏振作用的适当偏振器之类的光学器件。

此外，为了根据到达第4面的光束的波长来进行分路，例如可以形成分色光束分离器覆层。

在上述第二实施例的说明中，说明了在透射光路一侧设置会聚器件的示例。然而，根据仪器设置的情况，可以将该会聚器件设置在光路的反射一侧。在此情况中，由于第4面的表面形状，使光路的反射一侧的光路长度较长，从而可以进行调节以方便设置会聚器件。

在上述第一至第三实施例的说明中，说明了在棱镜外部形成有两个像面的示例。但是，可以将分路面设置在棱镜外部的光路上，以将光路分成多个光路，因此设置多个像面。如果采用这种方式，则可以在各个像面上设置光检测器或位置检测器件。因此，具有可以使用这些输出并且可以进行高精度位置检测的优点。

在上述第三实施例的说明中，说明了控制单元41、输入信号控制单元42、以及偏转控制器件32a位于聚光单元60内部的示例。然而，不必说，可以将这些元件与聚光单元60分开设置。

此外，可以将驱动控制器件44d设置在支撑部件44c上或者分开设置。另外，可以将该驱动控制器件44d设置在聚光单元60的内部。

当对本发明的优选实施例进行了说明和图示后，应该理解，这些说明和图示对于本发明是解释性的，而不应视为限制。在不背离本发明的精神或范围的情况下可以进行增加、删除、替换、以及其它修改。因此，本发明不应被认为由上述说明所限制，并且本发明仅由所附的权利要求的范围来限制。

本发明的偏心光学系统的第一方面是具有近似平行的输入光束，并且包括具有折射率为1或者更大的介质的棱镜，在该棱镜上在介质的边界面上形成有至少四个光学作用面，其中假设沿输入光的光路将这些光学作用面称为第1、第2、第3、第4，…，以及第n(“n”为自然数)面，第1至第4面中的至少一个面为分路面，在该分路面中，光路被分成透射光和反射光的两个光路。

根据偏心光学系统的第一方面，将形成在该介质的边界面上的该五个光学作用面以一定位置关系进行设置，使得在轴上由第3面反射向第4面的主光束和在轴上由第4面反射向第5面的主光束各与轴上透过第1面射向第二面的主光束相交。因此，在轴上由第2面射向第3面的主光束与在轴上由第4面射向第5面的主光束相交。

为实现这样的一种光路，必须例如按以下顺序将多个光学作用面设置在棱镜周边上：第1面、第4面、第2面、第5面以及第3面。此外，按照形成偏心光学系统的棱镜的形式，至少将相邻的光学作用面以偏心或倾斜地方式进行设置。

因此，由于在诸如Cassegrain型的共轴反射系统中不出现光束的渐晕，因此可以防止由于这种渐晕所导致的光损失。

此外，由于这种光路使一部分光路再次折叠，光束在棱镜中交叉成三角形，因此这种构造可以比采用传统棱镜的偏心光学系统更加紧凑。

此外，由于棱镜介质的折射率为1或更大，因此反射面的光焦度被乘以折射率，并变得较大。因此，可以降低各光学作用面的曲率，从而控制像差量，并且可以提供令人满意的成像性能。

此外，由于将五个光学作用面一体化为棱镜介质的边界面，因此可以精确而又很容易地实现定位，并且装配过程中不存在对各光学作用面的光轴进行调节和定位的问题(该问题在组合多个反射镜的偏心光学系统的情况中存在)。

此外，由于该五个光学作用面中的至少两个面为回转非对称面，特别地，当通过该偏心光学系统的入射光瞳中心并且到达成像面中心的轴上的主光束偏心地入射到该偏心光学系统上时，可以对由于偏心所引起的诸如图像的梯形畸变，以及图像的倾斜等的偏心像差进行补偿。

在本说明书中，术语“光学作用面”是指已进行适当处理的诸如介质的物理表面或者边界面的面，并且对于光束具有反射、折射、干涉以及偏振等的宏观光学效应。即，在本领域的情况中，该词通常是指平面光学元件，例如，反射面、透射面、折射面、透镜面、菲涅耳透镜面、棱镜面、偏振面、光学面等。因此，在考虑光学作用面时，不考虑诸如覆层中多层间的多个界面等的宏观光学效应。

本发明的偏心光学系统的第二方面是具有近似平行的输入光束，并且包括具有折射率为等于或大于1的介质的棱镜，在该棱镜上在该介质的边界面上形成有五个光学作用面，其中将该五个光学作用面设置为，假设沿输入光的光路按顺序将该五个光学作用面称为第1面、第2面、第3面、第4面以及第5面，则该第1面至第5面中的至少一面为分路面，在该分路面中，光路被分成透射光和反射光的两个光路，并且在分路面上分路的各个光路中形成实像。

根据偏心光学系统的该第二方面，由于可以将光路分为两个光路并且形成图像，因此一个光路由至少四个光学作用面进行了像差补偿，而另一光路由该五个光学作用面的组合进行了像差补偿，并且因此可以在各光路中形成高性能分路成像系统。

根据偏心光学系统的该第一或者第二方面，在以下一种光学系统中：其中使用一个棱镜将以特定张角入射的作为近似平行光束的输入光会聚到至少一个光接收面上，该棱镜具有以偏心或倾斜的方式设置的5个光学作用面，这些光学作用面中的两个面为回转非对称面，存在的效果是，可以获得一种偏心光学系统，在该偏心光学系统中，降低了在输入光到达光接收面之前的光损失，在该偏心光学系统中，即使具有较长的焦距也可以实现小型化，并且在光接收面上形成图像的光具有高清晰度。

在偏心光学系统的该第二方面中，第1面可以为透射输入光的透射面，第2面和第3面可以是在介质内部对在介质内部通行的光束进行反射的内反射面，第4面可以是将光路分成透射光和反射光两个光路的分路面，第5面可以是使由第4面反射的反射光透射过的透射面，并且这五个光学作用面中的至少两个面可以是回转非对称面，并且在棱镜外部可以形成至少一个实像。

在此情况中，从第1面入射的输入光依次经第2面和第3面反射，并到达第4面。在一个光路中，光由第4面反射向第5面，透射过第5面，并从该棱镜射出。此外，在另一光路上，光透射过第4面并从棱镜射出。然后由一个光路的出射光形成实像。

由于光路以这种方式形成，因此这五个光学作用面是偏心的或者倾斜的，并且如此定位以围绕介质的偏心光学系统是必要的。

因此，由于不发生在共轴反射系统中所发生的光束渐晕现象，因此可以防止由于这种渐晕现象所产生的光损失。

此外，由于输入光在出射之前要在反射率为1或更大的介质中反射并折射两次或者三次，因此可以实现一种相对于光路长度很紧凑的光学仪器。此外，反射面的光焦度被乘以介质的折射率，并变得更大，因此可以控制各光学作用面的像差量，并且可以提供令人满意的成像性能。

此外，由于将该五个光学作用面一体化为该棱镜介质的边界面，因此可以精确而又比较容易地实现定位，并且装配过程中，不存在对各光学作用面的光轴进行调节和定位的问题(该问题在组合多个反射镜的偏心光学系统的情况中存在)。

此外，由于该五个光学作用面的至少两个面为回转非对称面，特别地，当通过该偏心光学系统的入射光瞳中心并且到达成像面中心的轴上的主光束偏心地入射到该偏心光学系统上时，可以对由于偏心所引起的诸如图像的梯形畸变，以及图像的倾斜等的偏心像差进行补偿。

在偏心光学系统的该第一方面中，该第2面可以包括具有正光焦度的回转非对称面。

在此情况中，作为近似平行光束入射到第1面上的输入光被这些具有正光焦度并且倾斜地位于具有较大直径光束的第2面上的回转非对称面所反射。因此，通过采用具有优异的像差补偿能力的多个回转非对称面，减少了随后阶段的像差补偿任务，并且可以构成具有令人满意的成像性能的光学仪器。

在偏心光学系统的该第一方面中，该第3面可以包括具有负光焦度的回转非对称面。

在此情况中，由于该第3面具有负光焦度，因此可以对第1面上所出现的球差和彗差进行补偿。此外，由于可以对离轴光束改善Petzval和(Petzval sum)，因此特别是当入射光的张角大时，这一点有效地发挥作用，从而可以改善成像性能。

此外，由于是由回转非对称面形成的，因此可以对偏心像差进行令人满意的补偿。

另外，通过组合设置有具有正光焦度的回转非对称面的结构，可以使第2面为正，并且可以使第3面为负，从而形成望远透镜型光学仪器，与焦距相关地可以减小至图像位置的距离，并且可以实现小型化的棱镜。

在偏心光学系统的该第一方面中，可以形成一光路，在该光路中由分路面所反射的反射光轴上的主光束与通过棱镜的至少两个光束轴上的主光束相交。

在此情况中，由于从分路面所反射的光的光路与通过该棱镜的至少两个光束的光路相交，并且折叠使其重叠，因此可以有效利用棱镜中介质空间来形成紧凑结构。

在偏心光学系统的该第二方面中，可以形成一光路，在该光路中，在轴上由第2面反射向第3面的主光束和在轴上由第4面反射向第5面的主光束各与轴上透射过第1面并射向第2面的主光束相交。

在此情况中，在轴上透射过第1面并射向第2面的主光束与轴上由第3面反射向第4面的主光束和轴上由第4面反射向第5面的主光束相交，并被折叠而使其重叠。因此可以有效地利用棱镜中的介质空间来形成紧凑的结构。

在偏心光学系统的该第二方面中，棱镜的周边方向上的第1至第5面可以是，在第1面与第2面之间，第2面与第3面之间，第3面与第4面之间，以及第4面与第5面之间的至少一个面可以设置有另一光学作用面。

在此情况中，由于在轴上形成了与从第n面到第(n+1)面(n＝1，2，3，4)的主光束以及另两个光学作用面之间的轴上的主光束相交的两个主光束，因此有效地利用了棱镜内更多的相同空间，并且该介质空间可以具有紧凑结构。

在偏心光学系统的该第二方面中，当以垂直于输入光轴上的主光束的平面作为倾斜基准面时，在第2面上与轴上的主光束相交的位置处的切平面的倾斜角为θ1，并且在第3面上与轴上的主光束相交的位置处的切平面的倾斜角为θ2，可以满足以下条件表达式：

30°≤|θ2-θ1|≤80°

在此情况中，当将轴上的主光束与该面相交处的切平面定义为用于测量该光学作用面的倾斜角的面时，其中第2面和第3面相交的面的倾斜角|θ2-θ1|处于该条件表达式的值域之中。另一方面，根据几何学，该轴上主光束的倾斜角提供了第2面的入射角和第3面的入射角之和或之差。

因此，当倾斜角|θ2-θ1|超过了上限80°时，第2面或第3面的入射角会变得过大。特别地，当这些偏心面具有光焦度时，在轴上的光束中也出现彗差。此外，即使采用回转非对称面作为第2面或第3面来补偿该像差，非对称性也会变得过大并且消除离轴光束的彗差变得困难。

另外，当倾斜角|θ2-θ1|变得小于下限30°时，为避免渐晕现象而进行定位会比较困难。

为确保该偏心光学系统的更高性能，优选地倾斜角|θ2-θ1|的角度值域小于上述范围。在实践中，优选地

35°≤|θ2-θ1|≤70°，

并且更优选地，

40°≤|θ2-θ1|≤60°。

在偏心光学系统的该第二方面中，当以垂直于输入光轴上的主光束的平面作为倾斜基准面时，在第4面上与轴上的主光束相交的位置处的切平面的倾斜角为θ3，而在第5面上与轴上的主光束相交的位置处的切平面的倾斜角为θ4，满足以下条件表达式：

|θ4-θ3|≤30°

在此情况中，第4面和第5面相交的面的倾斜角|θ4-θ3|处于上述条件表达式的值域之中。

因此，本条件表达式要求作为以单个光路将出射光射到像面上的第4面和第5面的平行角度介于0°和30°之间的范围内，因此，焦平面内的像面的倾斜可以很小，并且可以提供小型且高性能的偏心光学系统。

当倾斜角|θ4-θ3|超出上限30°并且变大时，从第4面反射向第5面的光在第5面被大部分折射，导致离轴像差。此外，由于焦平面中的像面是明显倾斜的，因此必须使接收成像的光的光接收面与棱镜分开，并且采用该偏心光学系统的仪器变大。

为确保该偏心光学系统的更高性能，优选地，该倾斜角|θ4-θ3|的值域小于上述范围。在实践中，优选地

|θ4-θ3|≤20°。

在偏心光学系统的该第一方面中，当假设傍轴焦距为F时，满足以下条件表达式：

60(mm)≤F≤500(mm)

在此情况中，对傍轴焦距F的值域的限定使得可以在合理的范围内制造该偏心光学系统，因此可以使该系统小型化且低成本。

即，当该傍轴焦距F超出上限500mm且较长时，即使采用了折射率为1或更大的介质，并且光路被折叠，棱镜也会随制造难度的增加而变得更大。另外，当该傍轴焦距F小于下限60mm时，不能充分地实现光路折叠的好处。因此，通过采用该距离值可以可靠地避免这一问题，并可以在合理范围内实现小型化和低成本。

为了确保紧凑和低成本的益处，优选地，使傍轴焦距F的长度值域比上述范围小。在实践中，优选地

80(mm)≤F≤400(mm)，

并且更优选地

100(mm)≤F≤300(mm)。

在偏心光学系统的第一方面中，当假设傍轴焦距为F，并且假设入射光瞳直径为D时，比率F/D满足以下条件表达式：

2≤F/D≤15

在此情况中，由于傍轴焦距F和入射光瞳直径D的比率F/D的值域在该条件表达式的范围之内，可以使偏心光学系统的设计得到良好均衡。

即，当比率F/D超过上限15并且较大时，光路长度相对于入射光瞳变得太长，并且光学仪器的棱镜或后焦距变大，而且使实现紧凑型光学仪器变得不可能。此外，当该比率小于下限2时，入射光束的直径相对于焦距变得较大，导致NA变大，并且球差和彗差等增大，并且像差补偿变得困难。因此，通过采用这两者之间的值，可以避免这些问题，并且可以使偏心光学系统的设计得到良好均衡。

为确保该偏心光学系统的更大紧凑度和更高性能，优选地使该比率F/D的值域小于上述范围。在实践中，优选地

3≤F/D≤10，

并且更优选地，

4≤F/D≤8。

在偏心光学系统的该第一方面中，可以提供一光学器件，该光学器件使得光束在棱镜之外形成实像后形成为近似平行光束，并且该光学器件具有在所需位置处形成出射光瞳的正光焦度。

在此情况中，除该偏心光学系统的作用外，由于在该偏心光学系统形成实像后，通过具有正光焦度的光学器件将该出射光形成为近似平行光束，并在所需位置形成出射光瞳，因此，将出射光瞳的位置假设为观测者的瞳孔，并且观测到由该偏心光学系统所放大的虚像，即，可以将该偏心光学系统用作望远镜透镜组。

此外，由于在所需位置形成该出射光瞳，因此当将诸如反射镜等光学器件定位于该位置时，由于光束保持在出射光瞳的界限内，因此即使输入光的入射视场角改变也可以提供紧凑的光学器件。

此外，可以提供一聚光器件，其使光束在形成出射光瞳后成像于光接收面上。

在此情况中，在根据第十三方面的偏心光学系统中，提供了一种聚光器件，该聚光器件使光束在形成出射光瞳之后成像于光接收面上。

根据本发明的该方面，由于提供了使光束在形成出射光瞳后成像于光接收面上的聚光器件，因此可以调节光束的会聚以适合光接收面的区域，并且可以在无光损失且具有高效率的情况下接收光。

在偏心光学系统的该第一方面中，在该五个光学作用面中，至少一个面是分路面，在该分路面中，光路被分路为透射光和反射光的两个光路，并且在分路面上所分成的各光路中形成实像。

在此情况中，由于在分路面上将输入光分为两个光路，并且可以对各光路形成实像，因此可以形成高性能且紧凑的分路成像系统。

在偏心光学系统的该第二方面中，假设沿输入光的光路将该五个光操作面称为第1面、第2面、第3面、第4面以及第5面，则可以将该分路面设为第4面，并且在轴上由第4面反射向第5面的主光束可以形成一光路，该光路与在轴上透射过第1面并射向第2面的主光束以及在轴上由第2面反射向第3面的主光束相交。

在此情况中，由于将分路面设置在第4面，因此反射光受到第1、第2、第3、第4以及第5面的光学效应的作用，并且由于透射光受到第1、第2、第3以及第4面的光学效应的作用，所以也利用第1、第2、第3和第4面对透射光进行了像差补偿，并且可以提供令人满意的成像性能。

此外，在轴上由第4面反射向第5面的主光束与在轴上透射过第1面并射向第2面的主光束以及在轴上由第2面反射向第3面的主光束相交，并且被折叠使其交叠。因此，可以有效地利用棱镜内的介质空间来实现紧凑的结构。

通过与该第一方面的结构的组合，特别地，会出现三个光轴交点，因此可以更有效地利用空间来实现紧凑的结构。

本发明的输入光为近似平行光束的光学仪器包括：具有该偏心光学系统和光偏转器件的聚光单元，对于在该偏心光学系统中形成出射光瞳的光束，在该出射光瞳的位置附近，该光偏转器件使光束偏转，并且将该光束导向多个光接收面中的一个；位置检测器件，其检测被导向一个接收面的光束的光接收位置并输出检测信号；移动机构，其可移动地支撑该聚光单元；以及位置控制器件，响应于来自位置检测器件的检测输出，或者光偏转器件的偏转量，或者二者来控制该移动机构的移动量。

根据该光学仪器，由于利用光偏转器件使形成出射光瞳的光束偏转并将该光束导向一个光接收面，因此，即使当输入光的入射视场角相对于聚光单元中设置的偏心光学系统改变时，也可以将光束导向光接收的适当位置。因此，可以响应于位置检测器件的检测输出，或者光偏转器件的偏转量，或者二者来控制该移动机构的移动量。因此，可以控制聚光单元的空间方位，以使得输入光的入射视场角保持恒定，并且可以维持在该状态。

根据本发明的光学系统，通过使用根据本发明的偏心光学系统，使得可以构建能够进行高精度且高效率的光学追踪的光学系统。

该移动机构可以配备万向台。

在此情况中，由于设置了该万向台，因此即使在两个轴上输入光的入射视场角发生变化，也可以使聚光单元的空间方位追随输入光。

可以使该偏心光学系统的实际光阑与聚光单元的外部结合为一体。

在此情况中，由于该偏心光学系统的实际光阑与聚光单元的外部结合为一体，因此可以省略孔径元件。

可以将该位置检测器件设置在一个光接收面中和另一光接收面中，并且该位置控制器件可以响应于来自位置检测器件的一个检测输出而提供该移动机构的粗略移动，并且可以响应于该位置检测器件的另一检测输出而提供该移动机构的精密移动。

在此情况中，由于可以进行该聚光单元的粗略移动和精密移动，因此，可以对于宽范围的入射视场角实现高精度的位置控制。

该位置检测器件可以配备有调制光检测器，该调制光检测器构成了空间光信号传输的光接收部件。

在此情况中，可以实现空间光信号传输的光接收部件，其提供了与上述光学仪器类似的操作效果。

Claims (28)

1.一种偏心光学系统，其具有近似平行的输入光束，并且包括一棱镜，该棱镜具有折射率为1或更大的介质，在该棱镜上，在该介质的边界面上形成有至少4个光学作用面，

其中，假设沿输入光的光路将这些光学作用面称为第1面、第2面、第3面、第4面，…，以及第n面，“n”为自然数，则该第1面至第4面中的至少一个面是分路面，在该分路面中，光路被分成透射光和反射光的两个光路。

2.一种偏心光学系统，其具有近似平行的输入光束，并且包括一棱镜，该棱镜具有折射率为1或更大的介质，在该棱镜上，在该介质的边界面上形成有5个光学作用面，

其中，假设沿输入光的光路将这5个光学作用面称为第1面、第2面、第3面、第4面，以及第5面，则该第1面至第5面中的至少一个面是分路面，在该分路面中，光路被分成透射光和反射光的两个光路，

并且

在该分路面上分路的各个光路中形成实像。

3.根据权利要求2所述的偏心光学系统，

其中，所述第1面是透射输入光的透射面，所述第2面和所述第3面是在介质内部反射在该介质内部通行的光束的内反射面，所述第4面是将光路分成透射光和反射光两个光路的分路面，所述第5面是透射由第4面所反射的反射光的透射面，并且这5个光学作用面中的至少两个面是回转非对称面，并且

在所述棱镜的外部形成至少一个实像。

4.根据权利要求1所述的偏心光学系统，其中，所述第2面包括具有正光焦度的回转非对称面。

5.根据权利要求1所述的偏心光学系统，其中，所述第3面包括具有负光焦度的回转非对称面。

6.根据权利要求1所述的偏心光学系统，其中，形成一光路，在该光路中，由所述分路面所反射的反射光的轴上的主光束与通过所述棱镜的至少两个光束的轴上的主光束相交。

7.根据权利要求2所述的偏心光学系统，其中，形成一光路，在该光路中，轴上由所述第2面反射向所述第3面的主光束和轴上由所述第4面反射向所述第5面的主光束各与轴上透过所述第1面射向所述第2面的主光束相交。

8.根据权利要求2所述的偏心光学系统，其中，所述第1至第5面在所述棱镜的周边方向上的设置是，在所述第1面和所述第2面之间、在所述第2面和所述第3面之间、在所述第3面和所述第4面之间、以及在所述第4面和所述第5面之间的至少一个面设置有另一个光学作用面。

9.根据权利要求2所述的偏心光学系统，其中，当以垂直于输入光的轴上的主光束的平面作为倾斜基准面时，在所述第2面上与轴上的主光束相交的位置处的切平面的倾斜角为θ1，并且第3面上与轴上的主光束相交的位置处的切平面的倾斜角为θ2，则满足以下条件表达式：

30°≤|θ2-θ1|≤80°

10.根据权利要求2所述的偏心光学系统，其中，当以垂直于输入光的轴上的主光束的平面作为倾斜基准面时，在所述第4面上与轴上的主光束相交的位置处的切平面的倾斜角为θ3，而在所述第5面上与轴上的主光束相交的位置处的切平面的倾斜角为θ4，则满足以下条件表达式：

|θ4-θ3|≤30°

11.根据权利要求1所述的偏心光学系统，其中，当假设傍轴焦距为F时，满足以下条件表达式：

60(mm)≤F≤500(mm)

12.根据权利要求1所述的偏心光学系统，其中，当假设傍轴焦距为F，并假设入射光瞳直径为D时，则比率F/D满足以下条件表达式：

2≤F/D≤15

13.根据权利要求1所述的偏心光学系统，其中设置一光学器件，该光学器件使得光束在所述棱镜之外形成实像后成为近似平行光束，并且该光学器件具有在所需位置形成出射光瞳的正光焦度。

14.根据权利要求13所述的偏心光学系统，其中，设置一聚光器件，该聚光器件使得所述光束在形成出射光瞳之后成像在所述光接收面上。

15.根据权利要求1所述的偏心光学系统，其中，在所述5个光学作用面中，至少有一个面为分路面，在该分路面中，将光路分成透射光和反射光的两个光路，并且在该分路面上分路的各个光路中形成实像。

16.根据权利要求2所述的偏心光学系统，

其中，假设沿输入光的光路将所述5个光学作用面称为第1面、第2面、第3面、第4面以及第5面，

所述分路面作为第4面，并且

在轴上由所述第4面反射向所述第5面的主光束形成一光路，该光路与在轴上透过所述第1面射向所述第2面的主光束以及轴上由所述第2面反射向所述第3面的主光束相交。

17.一种光学仪器，其中输入光为近似平行光束，该光学仪器包括：

聚光单元，其具有权利要求13所述的偏心光学系统，以及光偏转器件，该光偏转器件对于在所述偏心光学系统中形成出射光瞳的光束，在该出射光瞳的位置附近对该光束进行偏转，并且将其导向所述多个光接收面中的一个；

位置检测器件，其检测被导向所述一个光接收面的光束的光接收位置，并且输出检测信号；

移动机构，其可移动地支撑所述聚光单元；以及

位置控制器件，其响应于来自所述位置检测器件的检测输出、或者所述光偏转器件的偏转量、或者两者来控制所述移动机构的移动量。

18.根据权利要求17所述的光学仪器，其中，所述移动机构配备有万向台。

19.权利要求17所述的光学仪器，其中，所述偏心光学系统的实际光阑与所述聚光单元的外部结合成一体。

20.权利要求17所述的光学仪器，

其中，所述位置检测器件设置在一个光接收面中和另一个光接收面中，并且

所述位置控制器件响应于来自所述位置检测器件的一个检测输出而提供所述移动机构的粗略移动，并且响应于来自所述位置检测器件的另一个检测输出而提供所述移动机构的精密移动。

21.权利要求17所述的光学仪器，其中，所述位置检测器件具有调制光检测器，该调制光检测器构成了空间光信号传输中的光接收部件。

22.一种光学仪器，用于空间光通信，该光学仪器包括偏心定位的光学作用面。

23.一种光学仪器，用于空间光通信，该光学仪器包括一棱镜，该棱镜具有折射率为1或更大的介质，在该棱镜上，在该介质的边界面上偏心地形成有至少四个光学作用面。

24.根据权利要求23所述的光学仪器，

其中该至少4个光学作用面按一定的位置关系布置，使得，假设沿输入光的光路将这些光学作用面称为第1面、第2面、第3面、第4面，…，和第n面，“n”为自然数，

则在轴上由所述第3面反射向所述第4面的主光束与在轴上透过所述第1面射向所述第2面的主光束相交。

25.根据权利要求22所述的光学仪器，其中，所述多个光学作用面中的至少一个面是分路面，在该分路面中，光路被分成透射光和反射光的两个光路。

26.根据权利要求22所述的光学仪器，其中，所述偏心定位的光学作用面包括回转非对称面。

27.一种用于空间光通信的光学仪器，包括位于权利要求22所述的光学仪器的图像位置处的光检测器。

28.一种用于空间光通信的光学仪器，包括位于权利要求1所述的偏心光学系统的图像位置处的光检测器。

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