JP2018031938A - 反射光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】人工衛星などに搭載されて宇宙空間で使用される光学系において、小型軽量でありながら広い波長範囲で使用可能であり、温度変化による熱歪みが発生しにくく高い結像性能を実現する反射光学系を提供する。【解決手段】複数の光学反射面Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３により１つの結像関係を形成する反射光学系１０２において、複数の光学反射面は、各光学反射面の法線の延長線上に他の光学反射面が存在しないよう配置されており、反射膜を除く反射光学系は単一の材料から成る単一部品１０３として構成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、反射鏡だけで構成されて広い波長範囲で結像機能を有する反射光学系に関する。

天体の分光観測などの用途においては、紫外から赤外まで広い波長範囲の光を観測する必要があるが、レンズのガラス材料は可視光から近赤外光以外の波長では透過率が大幅に低下するため、広い波長範囲で観測を行うために反射鏡のみで構成される反射望遠鏡が広く使用されている。また、地上からロケット等で打ち上げる人工衛星搭載用の観測機器はサイズと重量が大きくなると開発費用や運用費用が巨額となるため、できるだけ小型で軽量にすることが望ましい。

天体を撮影するだけでなく分光観測などを行う場合には、反射望遠鏡焦点面の後方にはさらに分光器などの観測装置が配置されるため、望遠鏡部と観測装置との間にリレー部が必要となる場合が多い。リレー部は望遠鏡部で一度結像した像を再結像させたり、コリメートして平行光束を送出したりする機能を持つ。いずれの場合でも、広い波長範囲で観測を行うためには、このリレー部も反射鏡だけで構成する必要が生じる。観測装置側へコリメートされた光束を送出する場合のリレー部の最も単純な構成としては、１枚の凹放物面鏡を使う方法が知られている。

焦点を共有する２枚の放物面鏡はコマ収差と非点収差を打ち消し合うという特性から、リレー部側の放物面鏡の焦点距離を適切に選択すれば像面湾曲以外の収差が良好に補正されたコリメート光を送出することが可能になる。しかし、１枚の凹放物面鏡だけではコリメート後の平行光束が望遠鏡側に戻ってしまうため、穴空き平面鏡などで入射光束を遮らずにコリメート後の平行光束を違う方向に折り曲げる必要がある。この穴空き平面鏡の位置はちょうどコリメート後の平行光束の射出瞳位置付近となるため、後に続く観測装置の配置に大きな制約となってしまう。

また、望遠鏡部の焦点面から凹放物面鏡までの距離は、凹放物面の焦点距離と同じ距離だけ離す必要があるため全長が長くなってしまう。そのため、人工衛星などに搭載するためにコンパクトな配置とすることが難しくなる。そこで、複数のミラーを用いて光路をコンパクトに折り曲げることも可能である。特許文献１では、望遠鏡部の後方に複数の非球面ミラーを用いて光路をコンパクトに折り曲げつつ、良好な結像性能を得られる反射光学系が本発明者らにより提案されている。

特開2014-174211号公報

特許文献１の反射光学系では、望遠鏡部の後方にリレー部（この場合はコリメート光を送出する）を配置し、リレー部は３枚の非球面ミラーから構成されている。このようなミラーを含む光学ユニットの一般的な構成では、リレー部の各ミラーは板バネ部材を介してミラーベース部に結合され、各ミラーベース部はボルトにより１つの筐体に結合されて位置関係を保つ。

しかしながら、各ミラーを支持するためのミラーベースや筐体は所望の剛性を確保しようとすると重量が大きくなり、リレー部としての全体重量は各ミラーの単体重量の和に比べてかなり大きくなる。また、各ミラーから筐体までの間には複数の部品が介在し、かつボルト結合は接触面積が小さいため熱の伝導が低く、対流熱伝達が期待できない真空の宇宙環境では温度分布が発生しやすい。このため、各ミラーや保持部材に大きな温度分布が生じて変形し、結像性能に影響を与える場合がある。

上記課題を解決するために本発明では、複数の光学反射面により１つの結像関係を形成する反射光学系において、前記複数の光学反射面は、各光学反射面の法線の延長線上に他の光学反射面が存在しないよう配置されており、反射膜を除く前記反射光学系は単一の材料から成る単一部品として構成されていることを特徴としている。

本発明によれば、小型軽量でありながら、真空の宇宙環境においても温度分布の発生を抑えて、広い波長範囲で使用可能な結像性能の高い反射光学系を実現することができる。本発明の反射光学系は、反射望遠鏡で集光した光を分光器などの観測装置へ導くリレー部としても使用できるし、単独で撮像するための小型軽量な反射光学系としても使用できる。

実施例１の観測用光学系全体の光学配置図である。 実施例１のリレー部の反射光学系の構成を示す図である。 従来例の観測用光学系全体の光学配置図である。 従来例のリレー部の反射光学系の拡大図である。

以下、本発明の実施形態の具体例を図面に基づいて説明する。

［実施例１］
図１は、本発明の実施例１の観測用反射光学系の光学配置図である。図１において、１００は本発明の観測用光学系全体を、１０１は観測用光学系の望遠鏡部を、１０２は観測用光学系のリレー部を示す。また、ＰＭは望遠鏡部の主鏡、ＳＭは望遠鏡部の副鏡を示す。図２はリレー部の光学配置の拡大図である。図２において、Ｍ１〜Ｍ３はリレー部を構成する３枚の反射鏡を示す。

観測用光学系１００は不図示の人工衛星に搭載されて地球周回軌道上あるいは天体周回軌道上などに配置される。被写体である天体からやってきた観測光は中央部に穴の空いた凹面の主鏡ＰＭで反射されたあと、凹面の副鏡ＳＭで反射され、望遠鏡部の焦点面Ｆ１で被写体の像を作る。さらに観測光は、望遠鏡部１０１の光軸に対して傾けて配置された３枚の反射鏡にＭ１、Ｍ２、Ｍ３の順番で反射されて、ＥＸＰの位置に射出瞳を形成する。リレー部１０２から射出した平行光は、後に続く不図示の観測装置（分光器）に導かれる。

望遠鏡部の主鏡ＰＭは凹形状で回転放物面に近い回転双曲面、副鏡ＳＭは凹形状の回転楕円面であり、ＰＭとＳＭでグレゴリー型の反射望遠鏡を構成している。望遠鏡部の焦点面Ｆ１にはいったん被写体の像が形成されるが、必ずしも望遠鏡部だけで良好に収差が補正されているわけではなく、望遠鏡部とリレー部の全体として収差が補正されている。リレー部を構成する第１反射鏡Ｍ１と第２反射鏡Ｍ２と第３反射鏡Ｍ３はすべて望遠鏡部の光軸に対して傾いて配置されており、傾き角度は各反射鏡への主光線の入射方向に対して３０度である。

入射光束に対して傾いて配置されたミラーによる強い非対称収差（非点収差、コマ収差）を補正するため、リレー部を構成する３枚の反射鏡はすべて回転対称軸を持たない非対称形状の非球面としている。このような配置にすることによって、反射型のリレー部をコンパクトに配置しつつ高い結像性能を得ている。なお、反射鏡Ｍ１〜Ｍ３は実際には図１の紙面とは垂直な方向に折り曲げられているが、見やすさのために図１では紙面内で折り曲げた配置としている。

次にリレー部の具体的な構成について説明する。図２はリレー部の構成を示した図である。リレー部の反射光学系を構成する３枚の光学反射面（非球面）Ｍ１，Ｍ２，およびＭ３は単一部品で構成された構造体１０３の一部となっている。ここで本発明の重要な特徴として、光学反射面Ｍ１、Ｍ２、およびＭ３の配置を適切に調整することにより、各光学反射面の法線の延長線上に他の光学反射面が存在しないようになっている。光学反射面Ｍ１の法線の延長線上Ｈ１には光学反射面が存在しないため、構造体１０３のＨ１領域には穴が空いており、この穴を通して研磨ツールが光学反射面Ｍ１にほぼ垂直に接触することが可能である。

同様に、光学反射面Ｍ３の法線の延長線上Ｈ３には光学反射面が存在しないため、構造体１０３のＨ３領域には穴が空いており、この穴を通して研磨ツールが光学反射面Ｍ３にほぼ垂直に接触することが可能である。光学反射面Ｍ２の法線の延長線上Ｈ２には構造体自体が存在しないため、当然研磨ツールは光学反射面Ｍ２にほぼ垂直に接触することが可能である。

構造体１０３のうち２箇所の端面Ａ１，Ａ２は平面に研磨されたアライメント基準面となっており、光学反射面の面形状加工前後にはこのアライメント基準面に対する光学反射面の３次元座標が精密に測定される。すなわち、アライメント基準面を座標基準とした非球面形状マップが作成される。このために、アライメント基準面は平面度がPV3μm以内となるよう高精度に平面研磨されており、干渉計による面精度検査が可能である。

Ｍ１〜Ｍ３の各光学反射面は、面形状加工と座標計測（非球面形状計測を兼ねる）の工程を何サイクルか繰り返すことにより、光学設計に忠実なアライメント状態となるように反射面を加工することができる。すなわち、アライメント調整は面形状加工によって行われるのであり、調整機構や調整部品は必要としない単純な構成なので、軽量にできる。

光学反射面を含むリレー部の構造体１０３は、反射膜を除いて単一材料から形成された単一部品である。反射膜としては可視光を含む広い波長領域で高い反射率が得られる銀を成膜し、その上に誘電体の保護膜を成膜している。リレー部の構造体１０３の材料に求められる特性は軽くて剛性が高く、熱膨張率が小さくて熱伝導率が大きいことである。人工衛星に搭載する装置として軽量であることは必須条件であり、結像性能に影響を及ぼすような構造体としての変形や寸法変化を防ぐためにはヤング率で表される剛性が高いことも重要である。

一般に軽さと剛性の高さを評価する指標として比剛性が用いられる。材料の密度をρ[g/cm³]、ヤング率をE [GPa]とした時、比剛性はE/ρで表される。本実施例のように反射鏡が保持構造体を兼ねている場合には、ミラー部材の比剛性が一般的なガラスや金属よりも大きいことが望ましく、具体的には E/ρ>60 を満足することが望ましい。

また、本実施例の光学系は宇宙空間に配置されて天体を観測することを想定しているため、大きな環境温度変化に曝されたり太陽光の照射による大きな温度分布が生じたりする可能性がある。それによってミラー位置やミラー形状が変化するのを防ぐためには、ミラー部材は熱膨張率が小さく、熱伝導率が大きいことが重要である。一般に高い結像性能を要する大型の反射鏡には熱膨張率が非常に小さいZERODUR（Schott社の商品名）やULE（Corning社の商品名）などの超低膨張ガラスが使われることが多い。しかし、超低膨張ガラスは熱伝導率が比較的小さく、温度分布が生じやすいという短所もある。

逆にアルミニウムやベリリウムなどの金属では熱膨張率は大きいが、熱伝導率が大きく温度分布が生じにくいという長所がある。熱に対する材料の変形しにくさを評価する指標としては、熱膨張率と熱伝導率の両方を総合的に考慮した熱安定性という指標を用いることができる。材料の熱膨張率をα[ppm/K]、熱伝導率をk[W/(m・K)]とした時、熱安定性はk/αで表される。本実施例のように大きな温度変化が想定される場合には、k/α>50 を満足することが望ましい。

上記の望ましい材料特性を総合的に考慮し、本実施例のミラー部材の材料としてはガラスや金属ではなく炭化ケイ素（SiC）を用いている。CVD法で製造した炭化ケイ素は比剛性E/ρが約140、熱安定性k/αが約100（製造プロセスにもよる）という非常に優れた材料である。炭化ケイ素は熱歪みを生じにくい材料であるが、熱膨張率の絶対値はZERODURやULEなどの超低膨張ガラスに比べると大きい。そのため、使用環境における温度変化が大きい場合には、本発明の反射光学系を使用する天体観測装置には焦点調整手段を設けることが望ましい。全体を同一材料で構成した本発明のリレー部では、温度が大きく変化した場合でも均一に（相似的に）熱膨張するために収差変動を生じにくい。従って、焦点調整手段によりフォーカスずれだけを調整してやることにより良好な結像性能を得ることができる。

ただし、材料は用途や要求仕様に応じて、加工性や熱膨張率の方をより重視してZERODURやULEなどの超低膨張ガラスとしたり、比剛性の方をより重視して金属ベリリウムにしたりすることも可能である。さらに、本実施例では望遠鏡部を正立像観測や太陽観測に適したグレゴリー型光学系としているが、副鏡が凸面となるカセグレン型光学系やリッチークレチアン型光学系であっても適用可能である。また、リレー部がコリメート機能を有する場合だけでなく、リレー部が再結像機能を有する反射光学系の場合でも適用可能である。

さらに、本発明のリレー部の反射光学系は、入射側と射出側を本実施例とは反対にして、単独で撮像光学系として使用することも可能である。その場合は望遠鏡部の収差を補正する必要がないので、非球面形状を若干変更することにより対応可能である。本発明の反射光学系は広い波長範囲で使用可能であり、温度変化による熱歪みが生じにくいという特徴があるので、冷却が必要な熱赤外波長用の撮像光学系にも有効に適用できる。

１００ 観測用光学系全体
１０１ 観測用光学系の望遠鏡部
１０２ 観測用光学系のリレー部
１０３ リレー部の反射光学系を構成する構造体
ＰＭ 望遠鏡部の主鏡
ＳＭ 望遠鏡部の副鏡
Ｍ１ リレー部の第１反射鏡
Ｍ２ リレー部の第２反射鏡
Ｍ３ リレー部の第３反射鏡
ＩＭＧ 望遠鏡部の焦点面（リレー部の反射光学系の物体面）
ＥＸＰ リレー部の反射光学系の射出瞳
Ｈ１ 第１反射鏡の面法線の延長線上の領域（穴空き）
Ｈ２ 第２反射鏡の面法線の延長線上の領域（穴空き）
Ｈ３ 第３反射鏡の面法線の延長線上の領域
Ａ１ 第１のアライメント基準面
Ａ２ 第２のアライメント基準面

Claims (4)

1. 複数の光学反射面により１つの結像関係を形成する反射光学系において、前記複数の光学反射面は、各光学反射面の法線の延長線上に他の光学反射面が存在しないよう配置されており、反射膜を除く前記反射光学系は単一の材料から成る単一部品として構成されていることを特徴とする反射光学系。
2. 請求項１に記載の反射光学系において、前記反射光学系を構成する複数の光学反射面はいずれも回転対称軸を持たない非球面形状であり、前記複数の光学反射面の位置調整に用いられる調整基準が前記単一部品中に形成されていることを特徴とした反射光学系。
3. 請求項２に記載の反射光学系において、前記反射光学系を構成する単一材料の常温での熱膨張率をα[ppm/K]、熱伝導率をk[W/(m・K)]、比重をρ[g/cm3]、ヤング率をE[GPa] とした時に、以下の式を満足することを特徴とする反射光学系。
   k/α > 50, かつ E/ρ > 60
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の反射光学系を使用した撮像装置。