JP2009271454A - 非球面反射光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】トロイダル鏡等の非球面反射光学素子を光学系に設置する場合の軸合わせを容易にするとともに、反射面の研削、研磨作業に要する手間を軽減して低コスト化を図る。
【解決手段】正四角形状の外形の四隅の角部１４を切り落として外形を正八角形状にし、互いに直交する中心軸Ｘ、Ｙに沿った方向の２つの曲率半径、即ち、水平方向の曲率半径Ｒｈ、垂直方向の曲率半径Ｒｖで表される、有効反射領域が円形である反射面１０を形成する。有効反射領域１０ａ外の非球面量が大きな部分の面積が小さいので、面精度等を確保するための研削・研磨作業の負荷が軽減され、コストを低減できる。外面１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂは中心軸Ｘ、Ｙに平行又は垂直であるので、光学系への設置時の軸合わせも容易である。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種光学装置、光学測定装置等に利用される、トロイダル鏡、楕円鏡などの非球面反射光学素子に関する。

トロイダル鏡や楕円鏡などの非球面反射光学素子は、球面反射光学素子に比べて非点収差が小さく集光特性が良好であることから、分光光度計などの各種の光学測定装置や光学読み取り機構を組み込んだシステムなどに広く利用されている。

図５は一般的な凹面トロイダル鏡の形状を示す斜視図である。トロイダル鏡３の反射面３１の形状は、互いに直交する中心軸Ｘ、Ｙに沿った方向の２つの曲率半径、即ち、水平方向の曲率半径Ｒｈ、垂直方向の曲率半径Ｒｖで表される。反射面３１は中心軸Ｘ、Ｙに対しそれぞれ鏡像対称である。図５はトロイダル鏡３の外形（反射面３１を正面視したときの外枠形状）が矩形状であるが、そのほか図６に示すように外形が円形状の凹面トロイダル鏡４も知られている。

こうしたトロイダル鏡３、４を軸外し光学系に利用する場合、設計された光学系のメリディオナル面（水平面）及びサジタル面（垂直面）に対し、中心軸Ｘ、Ｙを平行又は垂直になるようにトロイダル鏡を設置する必要がある。ところが、図６に示したように外形が円形状のトロイダル鏡４では、非球面の反射面の軸方向を目視で正確に把握することは殆ど不可能である。そのため、軸方向を合わせる必要がある光学系への設置は非常に困難である。これに対し、図５に示すように外形矩形状のトロイダル鏡３では、外形の各辺が中心軸Ｘ、Ｙと平行に形成されていれば、反射面３１の軸方向を光学系のメリディオナル面及びサジタル面と平行又は垂直にすることは容易であり、上記のような設置時の困難さは解消される。

しかしながら、外形矩形状のトロイダル鏡３では次のような問題がある。即ち、一般的に、非球面反射面は球面反射面に比べて製造の難易度が高い。非球面反射面を形成するには、例えば非特許文献１に記載のように、研削により概略的な面形状が形成された後に、パッド研磨法などによるすり合わせ研磨により面精度を確保する必要がある。多くの場合、非球面反射鏡において光学的な有効反射領域は円形又は楕円形である（図５中の３１ａで示す範囲）ことが多く、反射面の中心点から離れた角の領域は有効反射領域外、つまり反射光が測定光として利用されない、不要な箇所であることが多い。

上記のような研削・研磨による製造工程において、有効反射領域の面精度を上げるには反射面全体の面精度を上げる必要があるが、有効反射領域外の角部は中心付近と比較して非球面量が大きいため、所望の面精度を確保するための製造上の難易度が上がる。そのため、面精度を確保するのに作業時間が掛かり、製造コストが増加する。その結果、同じ面精度を持つ外形円形状の凹面トロイダル鏡よりも高価になってしまう。或いは、面精度が十分に確保できない部分が残り、光学系の性能低下の原因となることもある。また、有効反射領域の外側の面精度や曲率半径公差が大きいと、迷光が増加し、測定精度を低下させるおそれもある。

加藤茂樹、「非球面光学素子トロイダルミラー」、島津評論、第64巻、第1・2号、平成19年9月28日発行

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、ユーザにとっては高い光学特性を達成するための光学系の設置や調整が容易であり、メーカにとっては反射面の精度を容易に低廉なコストで向上させることができる非球面反射光学素子を提供することである。

上記課題を解決するために成された第１発明は、サジタル面及びメリディオナル面にそれぞれ平行な軸を中心に鏡像対称である凹状又は凸状の非球面反射面を有する非球面反射光学素子において、
前記２本の軸の少なくとも一方に平行な基準面を外形に有する五角形以上の多角形状の外形を有し、所定の面精度が得られる有効反射領域が円形又は楕円形であることを特徴としている。

第１発明に係る非球面反射光学素子によれば、基準面が光学系のメリディオナル面に平行となるように当該光学素子を設置することで、非球面反射面の中心軸をメリディオナル面又はサジタル面に平行にすることができる。したがって、光学素子の設置や調整が非常に容易である。

また、外形を五以上の多角形状とすることで、円形又は楕円形の有効反射領域の外側の面の面積を外形矩形状の場合に比べて小さくすることができる。それによって、鏡面形成のための研磨作業の負荷を軽減し、コストの増加を抑えることができる。また、この有効反射領域外の不要な反射による迷光などの影響を軽減して、測定精度の向上にも有利である。

有効反射領域外の反射面の面積を小さくするには、多角形の角数（辺数）を増やすことが望ましいが、それだけ製造上の手間が掛かることとなり、コスト増加に繋がる。また辺が短くなるほど設置時の不安定さが増す。そこで、第１発明に係る非球面反射光学素子の好ましい一態様として、前記２本の軸にそれぞれ平行な基準面を外形に有する八角形状の外形を有する構成とするとよい。

上記課題を解決するために成された第２発明は、サジタル面及びメリディオナル面にそれぞれ平行な軸を中心に鏡像対称である凹状又は凸状の非球面反射面を有する非球面反射光学素子において、
前記２本の軸の少なくとも一方に平行な基準面を外形に有するように一部が切除された一部欠損円形状の外形を有し、その一部欠損円形状の全面が所定の面精度が得られる有効反射領域であることを特徴としている。

第２発明に係る非球面反射光学素子によれば、基準面が光学系のメリディオナル面に平行となるように当該光学素子を設置することで、非球面反射面の中心軸をメリディオナル面又はサジタル面と平行にすることができる。したがって、光学素子の設置や調整が非常に容易である。

また、反射面の全てが有効反射領域であるから、鏡面形成のための研磨作業の負荷を軽減し、コストの増加を抑えることができる。また、この有効反射領域外の不要な反射による迷光などの影響を軽減して、測定精度の向上にも有利である。

なお、ここでいう「非球面反射光学素子」は、具体的には凹面又は凸面のトロイダル鏡又は楕円鏡である。

第１及び第２発明に係る非球面反射光学素子によれば、従来の外形矩形状の非球面反射光学素子と同様に、非球面反射面の中心軸がメリディオナル面又はサジタル面に平行又は垂直になるように簡単に設置又は調整することができる。さらに第１発明に係る非球面反射光学素子によれば、従来の外形矩形状の非球面反射光学素子に比べて、有効反射領域外の反射面面積を小さくすることができるので、所望の面精度を確保するのに要する製造上の作業負荷が軽減され、コストを引き下げることができる。また、光学系において不所望の反射光を低減し、測定精度を向上させることができる。

本発明の一実施例による凹面トロイダル鏡を図１、図２を参照して説明する。図１は本実施例による凹面トロイダル鏡の斜視図、図２は反射面を正面視した状態の平面図である。

この実施例の凹面トロイダル鏡１は、図５に示した従来の凹面トロイダル鏡３と同様に、互いに直交する中心軸Ｘ、Ｙに沿った方向の２つの曲率半径、即ち、水平方向の曲率半径Ｒｈ、垂直方向の曲率半径Ｒｖで表される反射面１０を有する。この反射面１０は、中心軸Ｘ、Ｙに対しそれぞれ鏡像対称であって、所望の面精度が確保された有効反射領域１０ａは略円形状である。一方、外形形状は正面視で正八角形であり、その８辺のうちの２辺、つまり外面１１ａ、１１ｂにより形成される２辺は中心軸Ｘに平行であり、別の２辺、つまり外面１２ａ、１２ｂにより形成される２辺は中心軸Ｙに平行である（換言すれば中心軸Ｙに垂直である）。

製造上では、対向する２辺が平行で中心軸Ｘ、Ｙに平行な外形正四角形状に素子の基体を切断した後、図２に示した如く、その四隅の角部１４を切り落とすことで正八角形の外形を形成することができる。このように外形を形成した後には、有効反射領域１０ａ外の非球面量が大きな部分の面積が小さくなるので、研削及び研磨により所定の形状に反射面を加工する際の難易度が下がる。それによって、所望の曲率半径公差や面精度を確保するための作業時間が短くて済み、製造コストの低減を図ることができる。

また本実施例の凹面トロイダル鏡１を光学系に設置する際に、光学系の基準面４０上に外面１１ａ、１１ｂ（又は１２ａ、１２ｂ）が接触するようにすればよい。これにより、反射面１０の中心軸（又は中心軸Ｙ）が基準面４０と平行になり、光学系の軸合わせが容易に行える。

本発明の他の実施例による凹面トロイダル鏡を図３、図４を参照して説明する。図３は本実施例による凹面トロイダル鏡の斜視図、図４は反射面を正面視した状態の平面図である。

この実施例の凹面トロイダル鏡２は、図６に示したような外形円形状の凹面トロイダル鏡の外縁の一部２２を中心軸Ｘ（又は中心軸Ｙ）に平行な切断線で切り落としたものである。これにより、中心軸Ｘに平行な外面２１が形成されるから、光学系の基準面４０上に外面２１が接触するようにこの凹面トロイダル鏡２を設置すれば、反射面２０の中心軸が基準面４０と平行になる。これによって、光学系の軸合わせが容易に行える。

この場合には、反射面２０の全てが有効反射領域であり、反射面２０を形成するための研削や研磨作業の手間は、外形円形状の凹面トロイダル鏡と同じで済む。

なお、上記実施例は本発明を凹面トロイダル鏡に適用したものであるが、本発明は他の非球面反射面を持つ光学素子、具体的には楕円鏡にも適用でき、凹面鏡でなく凸面鏡に適用可能なことも当然である。

本発明の一実施例による凹面トロイダル鏡の斜視図。 図１に示した凹面トロイダル鏡の反射面を正面視した状態の平面図。 本発明の他の実施例による凹面トロイダル鏡の斜視図。 図３に示した凹面トロイダル鏡の反射面を正面視した状態の平面図。 従来一般的な凹面トロイダル鏡の形状を示す斜視図。 従来一般的な凹面トロイダル鏡の形状を示す斜視図。

符号の説明

１、２…凹面トロイダル鏡
１０、２０…反射面
１０ａ…有効反射領域
１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ、２１…外面
１４…角部
２２…外縁の一部
４０…基準面
Ｘ、Ｙ…中心軸

Claims (4)

1. サジタル面及びメリディオナル面にそれぞれ平行な軸を中心に鏡像対称である凹状又は凸状の非球面反射面を有する非球面反射光学素子において、
   前記２本の軸の少なくとも一方に平行な基準面を外形に有する五角形以上の多角形状の外形を有し、所定の面精度が得られる有効反射領域が円形又は楕円形であることを特徴とする非球面反射光学素子。
2. 請求項１に記載の非球面反射光学素子であって、前記２本の軸にそれぞれ平行な基準面を外形に有する八角形状の外形を有することを特徴とする非球面反射光学素子。
3. サジタル面及びメリディオナル面にそれぞれ平行な軸を中心に鏡像対称である凹状又は凸状の非球面反射面を有する非球面反射光学素子において、
   前記２本の軸の少なくとも一方に平行な基準面を外形に有するように一部が切除された一部欠損円形状の外形を有し、その一部欠損円形状の全面が所定の面精度が得られる有効反射領域であることを特徴とする非球面反射光学素子。
4. 請求項１乃至３に記載の非球面反射光学素子であって、トロイダル鏡又は楕円鏡であることを特徴とする非球面反射光学素子。

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