JP2000147223A - 高温度反射光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷却手段を備えた反射光学系は異物が光学反
射面に付着することにより問題を生じる。 【解決手段】 ａ．反射光学装置の光学表面の形状を有
するグラファイト基体と、 ｂ．前記光学表面上に形成されたレニウム層と、 ｃ．前記レニウム層上に形成されたイリジウム層と、 ｄ．必要ならばさらにロジウム層とを含む反射光学装
置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光学装置に関し、よ
り詳しくは反射性の、像形成または像形成をしない、光
学的な集光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光透過性又は反射性、像形成又は像非形
成にかかわらず、全ての光学装置はそれらが使用される
環境に耐える必要がある。高温度又は高熱流速の環境で
使用される光学装置の場合には、光学基体及び光学表面
が劣化しないで使用できることを制限する因子は温度で
ある。

【０００３】室温又はそれに近い温度で動作する反射光
学装置の基体として使用される典型的な素材（アルミニ
ウム、銅、マグネシウム）は積極的に冷却してやらない
限り高温度（１０００℃以上のような）で使用すること
はできない。大抵の高反射性の光学被覆も同様な限界を
有する。従来の反射光学材料の高温度での損傷は次のよ
うな色々な態様で起きる。材料の強度又はスチフネスの
減少により基体又は光学表面の構造的な耐久性が失われ
ること。温度膨張係数の差により引き起こされるストレ
スにより基体から光学被覆が剥離すること。化学的又は
冶金学的な結合強度の減少により基体から光学被覆が剥
離すること。反射表面又は被覆の寸法安定性が無くなる
ことにより反射率が減少すること。材料が相転移するこ
と。共晶体が形成されること。脱ガスによる材料が失わ
れること。分子又は粒子的な汚染により光学表面がエネ
ルギー的に攻撃を受けること。材料強度の低下により振
動及び衝撃による損傷を受けやすくなること。温度サイ
クルにより材料が疲労すること。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】これらの現象のいずれ
かが生じると、光学反射率の減少する結果となる。一般
に、反射率の減少につれて吸収率が増加する。これによ
り、反射されるエネルギーに対する吸収されるエネルギ
ーの割合に対応して光学装置の温度が上昇する。これを
補正しないで放置すると、光学装置の温度は加速的に上
昇して上記の損傷形態のいずれかを生じさせる。光学装
置の積極的な冷却はこれらの問題の多くを抑制すること
ができるが、次のような追加の設計、開発、製造工程、
及び実行コストを生じる。装置の構造が複雑になる。総
合的な信頼性が冷却系に依存する。冷却材の流れにより
振動が不所望の光学的な揺れ（ジッター）を生じる。冷
却された光学装置は、表面汚染粒状物がより高温の構成
部品から発生する脱ガス流の視線上又はその近傍にある
ときに、粒状物による表面汚染を受けやすい。低温度材
料が耐えられないような高温度又は高熱束が加わる用途
では、或いは積極的な冷却が技術、コスト又は安全性の
面から使用できない場合には、像形成又は像非形成の用
途を問わず高温で使用できる高反射率の光学装置の開発
が必要である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を解
決する。本発明の装置は像形成又は像非形成の用途に使
用される高温反射光学装置に関する。この光学装置はグ
ラファイト基体より形成される。形成された光学装置は
次に所望の平滑度に研磨される。レニウムによる緩衝層
が研磨されたグラファイト光学表面に付着される。レニ
ウム表面は軽く研磨（ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）またはラッ
ピング（ｌａｐｐｉｎｇ）されて偏差部を補正される。
次に、レニウム表面の全面にイリジウム層が付着され
る。イリジウム層は鏡面仕上げとなるように研磨され
る。さらにロジウムを研磨されたイリジウム表面に付着
して外側反射表面として使用しても良い。ロジウム層は
通常の技術により所望の光学反射面になるように研磨さ
れる。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明をさらに理解するために、
図面を参照して本発明の実施例を詳しく説明する。図に
おいて同一の参照符号は同様の部材を示す。図１は反射
光学装置１０を熱エネルギー蓄積モジュール１２と組合
せて像非形成の用途に使用する状態を示す。光学装置１
０の一端は、熱エネルギー蓄積モジュール１２に対し
て、光学装置１０の集光端１４が光源１８からの入射光
を受光して、それを反射して熱エネルギー蓄積モジュー
ル１２に入射させるような配置で取り付けられている。
熱エネルギー蓄積モジュール１２は地球軌道を周回する
衛星に関連した技術分野で広く知られかつ使用されてい
る。

【０００７】図２は集光端１４から見た反射光学装置１
０の端面図である。その構造はさらに図３及び４を参照
することにより、よりよく理解できる。光学表面２０、
２２は入射光１６を望んだ通りに反射し指向させるよう
に鏡面仕上げされている。本発明は像形成または像非形
成のような反射光学装置の特定の形状または形式に関す
るものではなくて、反射光学装置１０の材料と反射光学
装置１０を構成する方法に関する。

【０００８】反射光学装置１０の本体、すなわち基体は
グラファイトから構成される。Ｐｏｃｏ Ｇｒａｐｈｉ
ｔｅ社製のグラファイトＰＯＣＯ（商品名）のうち、グ
レードＴＭおよびＡＸＦ−５Ｑは試作に上首尾に使用で
きた。反射光学装置１０はグラファイトのブロックを機
械加工するなどの適当な方法で所望の形状に加工でき
る。次いで光学表面２０、２２がＲａ値が約５１μｍ以
下の平滑度を有するように研磨される。

【０００９】図５に示したように、好ましくは化学蒸着
法によりレニウム層２６が研磨された光学表面に緩衝層
として形成される。好ましい実施例では、レニウム層は
約１２７μｍの厚さである。レニウム層２６は偏差が無
いように処理（研磨またはラッピング）される。

【００１０】イリジウム層２８が化学蒸着法（ＣＶＤ）
を使用してレニウム層２６の上に被着される。好ましい
実施例では、イリジウムは約５１μｍの厚さを有する。
イリジウム層２８は次いで研磨されて鏡面状に仕上げら
れる。研磨は市販のダイヤモンド研磨組成物、例えばＥ
ｎｇｉｓＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから市販されているＨ
ｙｐｒｅｚ（商品名）Ｆｏｒｍｕｌａ１５（Ｓ４２４
３）ＳＴ−ＭＡを使用して行うことができる。約７０％
の反射率が得られた。

【００１１】他の実施例として、ロジウム層３０を外側
反射表面として使用し、それをイリジウム層２８の全面
に施すことができる。ロジウム層３０の層は電気メッキ
によりイリジウム層の上に付着し、次いで、通常の技術
を使用して研磨し、それにより所望の光学的反射表面を
達成しても良い。好ましい実施例ではロジウム層３０の
厚さは約５１μｍである。

【００１２】最終仕上げの後には、追加の表面処理は必
要がない。イリジウム及びロジウムにより外側光学表面
は頑強なので、酸化防止被覆や引っ掻き強度を改善する
ための被覆は不要である。

【００１３】本発明により構成された反射光学装置は次
のような多くの作用効果を提供する。積極的な冷却は必
要がない。光学装置は真空中で光学性能の低下なしに１
５００°Ｋまでの高い熱束と高温度環境に耐える。使用
される各材料は劣化しないで高温度動作が可能である。
動作温度範囲において、相変化、合金相転移または共晶
を形成するような材料間の冶金学的または化学的な相互
作用がない。

【００１４】機械的には、熱膨張係数は互いに充分に接
近しており、各層の剥離や剥落は生じない。標準的な製
造工程が本発明を使用した反射光学装置の製造に使用で
きる。反射光学装置は高温度で動作するので、粒状物そ
の他の汚染物が熱い光学表面に付着して反射率を低下さ
せたり局部熱点を生じたりする可能性は少ない。その代
わりに、汚染物は光学路から離れた個所にあるより冷た
い表面に移動して付着する。

【００１５】使用される光学被覆の硬度は非常に高い引
っ掻き抵抗を有する表面を提供する。反射率が光学表面
の表面汚染物の蓄積により減少したら、市販のダイヤモ
ンドスラリー研磨組成物を使用して光学表年を損傷する
ことなく汚染物を除去することができる。

【００１６】本発明はまた、宇宙船に搭載されて移動し
ている光学装置に使用されたときに追加の作用効果を生
じる。軌道を周回する宇宙船は紫外線、イオン化放射
線、電子、陽子、イオン、高エネルギー光子；原子状酸
素；微小隕石や人工ゴミ；蓄積静電気や放電；熱サイク
ル；脱ガス、漏洩物、エンジン排出物等による汚染を含
む光学装置の損傷原因となる各種の環境に曝される。イ
リジウムは最も耐食性の高い物質である。イリジウムか
ら製作された光学装置はこれらの汚染原因に対して何ら
の対策も必要としないし、従来の被覆光学装置が宇宙環
境で被る劣化を生じない。

【００１７】本発明の方法は、例えば円形、平板形、そ
の他特注による平面鏡、楕円面、放物面、軸はずれの部
分鏡、球面、半球面等の従来のあらゆる形状の反射光学
装置を製造するのに使用できる。像形成の場合にも像非
形成の場合にも本発明の利益を得ることができる。本発
明に従う光学装置の使用可能な温度範囲は２３０°Ｋか
ら１５００°Ｋである。

【００１８】ロジウム層及びイリジウム層以外の被覆を
使用することもできる。チタンを研磨したグラファイト
基体上に蒸着できる。処理温度では、チタン及びグラフ
ァイトは炭化チタン（ＴｉＣ）の安定な共晶を作る。炭
化チタンはまた通常の技術を使用して鏡面仕上げになる
まで研磨できる非常に耐久性の高い表面を提供する。も
しも炭化チタン層の反射率を増大する必要があれば、他
のより高い反射率を有する被覆例えばイリジウムまたは
ロジウム層を炭化チタン層の表面にイオン蒸着またはス
パッタ蒸着することができる。こうした光学装置では、
極く薄いイリジウムまたはロジウム層を被着するだけで
良く（１０〜１００ｎｍ程度）、追加の研磨は必要がな
い。以上により本発明を詳しく説明したが、本発明の範
囲内で多くの変形例か可能なことは当業者には明らかで
あろう。

【００１９】

【発明の効果】本発明の反射光学装置は、積極的な冷却
は必要がなく、真空中で光学性能の低下なしに１５００
°Ｋまでの高い熱束と高温度環境に耐える。本発明の反
射光学装置の反射面は高温度範囲において、相変化、合
金相転移または共晶を形成するような材料間の冶金学的
または化学的な相互作用がなく、械的には、熱膨張係数
は互いに充分に接近しており、各層の剥離や剥落は生じ
ない。反射光学装置は高温度で動作するので、粒状物そ
の他の汚染物が熱い光学表面に付着して、反射率を減少
したり局部熱点を生じたりする可能性は少ない。使用さ
れる光学被覆の硬度は非常に引っ掻き抵抗の高い表面を
提供する。本発明はまた、宇宙船に搭載されて移動して
いる光学装置に使用されたたときに追加の作用効果を生
じる。紫外線、イオン化放射線、電子、陽子、イオン、
高エネルギー光子；原子状酸素；微小隕石や人工ゴミ；
蓄積静電気や放電；熱サイクル；脱ガス、漏洩物、エン
ジン排出物等による汚染を含む光学装置の損傷原因とな
る各種の環境に耐える。

【図面の簡単な説明】

【図１】熱エネルギー蓄積モジュールと関連づけて使用
される反射光学装置の実施例を例示する図である。

【図２】反射光学装置の端面図である。

【図３】図２の線２−２に沿った断面図である。

【図４】図２の光学装置の軸線に沿った断面図である。

【図５】図３の線５−５に沿った断面図である。

【符号の説明】

１０ 反射光学装置 １２ 熱エネルギー蓄積モジュール １４ 集光端 １６ 入射光 １８ 光源 ２０、２２ 光学表面 ２６ レニウム層 ２８ イリジウム層 ３０ ロジウム層

Claims (28)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ａ．反射光学装置の光学表面の形状を有
   するグラファイト基体と、 ｂ．前記光学表面上に形成されたレニウム層と、 ｃ．前記レニウム層上に形成されたイリジウム層と、を
   含む反射光学装置。
2. 【請求項２】 前記グラファイト基体の光学表面はＲａ
   値が５１μｍ以下の平滑度に研磨されている請求項１の
   反射光学装置。
3. 【請求項３】 前記レニウム層は偏差を除去するように
   研磨されている請求項１の反射光学装置。
4. 【請求項４】 前記レニウム層は偏差を除去するように
   ラッピングされている請求項１の反射光学装置。
5. 【請求項５】 前記イリジウム層は研磨されている請求
   項１の反射光学装置。
6. 【請求項６】 前記イリジウム層の上にはさらにロジウ
   ム層が形成されている請求項１の反射光学装置。
7. 【請求項７】 前記ロジウム層は研磨されている請求項
   １の反射光学装置。
8. 【請求項８】 ａ．光学表面が５１μｍ以下の平滑度に
   研磨されているグラファイト基体と、 ｂ．前記光学表面上に形成され、偏差を除去するように
   研磨されているレニウム層と、 ｃ．前記レニウム層上に形成され、研磨されているイリ
   ジウム層と、を含む反射光学装置。
9. 【請求項９】 前記イリジウム層の上にはさらにロジウ
   ム層が形成されている請求項８の反射光学装置。
10. 【請求項１０】 前記ロジウム層は研磨されている請求
    項９の反射光学装置。
11. 【請求項１１】 ａ．光学表面が５１μｍ以下の平滑度
    に研磨されているグラファイト基体と、 ｂ．前記光学表面上に形成され、偏差を除去するように
    ラッピングされているレニウム層と、 ｃ．前記レニウム層上に形成され研磨されているイリジ
    ウム層と、を含む反射光学装置。
12. 【請求項１２】 前記イリジウム層の上にはさらにロジ
    ウム層が形成されている請求項１１の反射光学装置。
13. 【請求項１３】 前記ロジウム層は研磨されている請求
    項１２の反射光学装置。
14. 【請求項１４】 ａ．光学表面が５１μｍ以下の平滑度
    に研磨されているグラファイト基体と、 ｂ．前記光学表面上に形成され、偏差を除去するように
    ラッピングされているレニウム層と、 ｃ．前記レニウム層上に形成され研磨されているイリジ
    ウム層と、 ｄ．前記イリジウム層の上に形成され研磨されているロ
    ジウム層と、を含む反射光学装置。
15. 【請求項１５】 ａ．グラファイトから光学表面を有す
    るグラファイト基体を形成し、 ｂ．前記光学表面上にレニウム層を形成し、 ｃ．前記レニウム層上にイリジウム層を形成する、段階
    を含む反射光学装置の製造方法。
16. 【請求項１６】 さらに、前記レニウム層の形成に先立
    って、前記グラファイト基体の光学表面を５１μｍ以下
    の平滑度に研磨する請求項１５の方法。
17. 【請求項１７】 さらに、前記イリジウム層の形成に先
    立って、前記レニウム層の表面を研磨して偏差を除去す
    る請求項１５の方法。
18. 【請求項１８】 さらに、前記イリジウム層の形成に先
    立って、前記レニウム層の表面をラッピングする請求項
    １５の方法。
19. 【請求項１９】 さらに、前記イリジウム層の表面を研
    磨する請求項１５の方法。
20. 【請求項２０】 さらに、前記イリジウム層の表面にロ
    ジウム層を形成する請求項１５の方法。
21. 【請求項２１】 さらに前記ロジウム層を研磨する請求
    項２０の方法。
22. 【請求項２２】 ａ．グラファイトから光学表面を有す
    るグラファイト基体を形成し、 ｂ．前記グラファイトの光学表面を５１μｍ以下の平滑
    度に研磨し、 ｃ．前記光学表面にレニウム層を形成し、 ｄ．前記レニウム層を研磨して変差を除去し、 ｅ．前記レニウム層上にイリジウム層を形成し、 ｆ．前記イリジウム層を研磨する、 段階を含む反射光学装置の製造方法。
23. 【請求項２３】 さらに、前記イリジウム層の上にロジ
    ウム層を形成する請求項２２の方法。
24. 【請求項２４】 さらにロジウム層を研磨する請求項２
    ３の方法。
25. 【請求項２５】 ａ．グラファイトから光学表面を有す
    るグラファイト基体を形成し、 ｂ．前記グラファイトの光学表面を５１μｍ以下の平滑
    度に研磨し、 ｃ．前記光学表面にレニウム層を形成し、 ｄ．前記レニウム層をラッピングして偏差を除去し、 ｅ．前記レニウム層上にイリジウム層を形成し、 ｆ．前記イリジウム層を研磨する、 段階を含む反射光学装置の製造方法。
26. 【請求項２６】 さらに、前記イリジウム層の上にロジ
    ウム層を形成する請求項２５の方法。
27. 【請求項２７】 さらにロジウム層を研磨する請求項２
    ６の方法。
28. 【請求項２８】 ａ．グラファイトから光学表面を有す
    るグラファイト基体を形成し、 ｂ．前記グラファイトの光学表面を５１μｍ以下の平滑
    度に研磨し、 ｃ．前記光学表面にレニウム層を形成し、 ｄ．前記レニウム層を処理して偏差を除去し、 ｅ．前記レニウム層上にイリジウム層を形成し、 ｆ．前記イリジウム層を研磨し、 ｇ．前記イリジウム層の上にロジウム層を形成し、 ｈ．前記ロジウム層を研磨する、 段階を含む反射光学装置の製造方法。