JP4313675B2 - ミラー、光学結像システム、およびそれらの使用 - Google Patents

Description

本発明は、光学結像システム（ｏｐｔｉｃａｌ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）に使用するミラー（ｍｉｒｒｏｒ）、そのようなミラーを含む光学結像システム、およびそのようなミラーや結像システムの使用に関する。

光学結像システム用のミラーは特定の品質要件を満足させる必要がある。頻発している問題は、重力作用の結果による、あるいは熱の影響がもたらす機械的な負荷の下でのミラーの変形である。

更に、光学結像システム用のミラーは普く適用可能とするために軽量でなければならない。重量の問題は、例えば宇宙観測用の望遠鏡に使用されるミラーの場合に起きる。光通信の場合においても、構成要素を容易かつ安全に装着でき、かつ固定点（ｆｉｘｉｎｇ ｐｏｉｎｔ）での電波障害要件（ｓｔａｔｉｃ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ）を低く抑えうるようにするためには軽量の構成要素が望ましい。

基板の上に蒸着によりミラー面を付与したミラーが知られている。前記基板のための適当な材料は、例えばアルミニウム、銅、黄銅、あるいはモリブデンのような金属および金属合金、あるいはベリリウムのような非金属材料である。例えば、金、銀、ニッケル、銅、黄銅、あるいはカドミウムのような材料はミラー面のために使用することができる。ミラーの基板は、回転加工、特にダイアモンドを回転させることによって、あるいは例えばプラスチックの成型により、あるいは例えばガラス、すなわちツェロデュア（Ｚｅｒｏｄｕｒ）を研磨することによって製造することができる。そのようなミラーの欠点は、一方では十分な機械的安定性を保有する必要があるならば重くなることであり、他方では基板の製造に時間がかかることである。例えば高精度で回転加工あるいは研磨によって個々のミラーを各々製造する必要がある。どの形状も高度の光学的精度で製造するということはできないので、ミラーの光学的精度はその幾何学的形状（ｇｅｏｍｅｔｒｙ）によって制限される。更に、必要なミラー面の品質は直接達成することができないので、光学的精度はダスティング（ｄｕｓｔｉｎｇ）、蒸着、溶射（ｓｐｒａｙｉｎｇ）あるいはその他の方法によって基板にミラー面を付与することによって制限を受ける。

その他の既知のミラーは複製（ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ）技術によって製造されるようなミラーである。前述した説明とは対照的に、ここではミラーは逆の順序で構成される。ミラー面は反射材の形態でマンドレルに対して付与され、その上に補強層が付与される。補強層は電鋳法、ガラスまたはプラスチックの溶射、あるいは打ち抜きによって付与することができる。複製方法は、ミラーがより薄い材料厚さで、従ってより小さい重量でより高い精度を有するという利点を有している。しかしながら、同時にそれらは機械的に、従って光学的に頑丈さに劣る。

１個以上の光学要素から構成されている光学結像システムは組立て作業の間での光学要素の正確な調整に関しては敏感である。そのためシステムエラーを小さく抑えるためには組立てにおいて顕著な技量と経験とを必要とする。

本発明の目的は、少なくとも１個のミラーを含み、軽量で、同時に極めて高度な光学的要件を満足させるミラーと光学結像システムとを提供することである。

この目的は、本発明によるとミラーを少なくとも部分的に囲繞している補強要素に対してミラーが縁部において一体的に接続されていることを特徴とする、光学結像システムに使用するミラーによって達成される。本発明による設計の結果、ミラー基板について大きな材料厚さを必要とすることなく高度な安定性を達成することができる。ミラーは補強要素が縁部において一体にしっかりと接続されることによってその安定性を取得する。

補強要素は所望するいずれの形状であってもよい。補強要素はミラーの縁部を完全に、あるいは部分的に囲繞しうる。このように、例えば光学結像システムに一体化するべき場合とか、補強要素が他の構成要素の位置決めを妨げないようにする場合とか、あるいは他の要素を補強要素に直接装着する場合のように、ミラーはその用途に対して適合させることができる。

本発明によれば、ミラーの結像特性は補強要素によって変化することはない。しかし、同時に、軽量でありながら、かつ熱の影響を決定的に受けない薄いミラー基板を可能とする高度の安定性が得られる。補強要素はミラーの外縁部に位置させてよいが、例えば望遠鏡用のように、その用途のためにミラーが孔を有するとすれば、ミラーの内縁部に追加して、あるいは代替的に配置させてもよい。

本発明の実施例は２個以上の支柱と、該支柱の終端にある外部要素とを含む補強要素を想定している。ミラーはその構造体の補強のために、前記支柱が係合する内側補強要素によって囲繞されうるようにできる。代替的に、支柱は、ミラーとの係合領域においてさえも内側の補強要素として作用することができる。前記支柱はその外側において該支柱を安定化させる要素で終わっており、ミラーを固定するよう作用しうる。前記の外側要素は環状でよく、あるいは当該ミラーが使用される光学システムの別の要素に合わせて調製される別の形状を有するようにしうる。支柱はその安定性を増すために、長手方向に彎曲しており、そのため可能な限り薄くされるものの、安定したものであるように構成することができる。

前記支柱は本装置に特定の安定性を与えるようにミラーの平面に対して鋭角で延在しうることが好ましい。その結果、ピラミッド形あるいは切頭円錐形に類似の三次元の物体が提供される。前記ミラーの平面と支柱との間の角度は１０度から２０度の間、特に１４度から１６度の間であることが好ましい。

前記支柱はミラーとは半径方向ではなく、概ね接線方向で係合することが有利である。このことによって、例えば熱あるいは重力の影響によって支柱に沿って力が発生した場合ミラーが変形しないよう保証する。むしろミラーはその位置において僅かに回転するが、それは回転対称形のミラーの場合は光学結像特性の変化をもたらすものではない。

本発明によるミラーは電鋳方法によって製造することが好ましい。例えば、打ち抜き、成型、ガラスあるいはプラスチックを溶射することによる複製方法、特にダイアモンドを回転させる回転方法、および（または）研磨のようなその他の製造方法も原則として可能である。

本発明によるミラーの安定性は、もしもそれが例えばビード、エッジあるいはアーチのような変形をミラー面において有しているとすれば更に改良することができる。そのため、光学結像特性は表面の小さい領域においてのみ阻害されるのであり、一方その他の全ての領域における結像は変りなく、かつ機械的あるいは熱の影響の結果としての変形による形状変化は全くない。

本発明によるミラーは特に薄い厚さのミラー基板を有しうる。正確な厚さはミラーおよび補強要素の形状によって変る。直径が約１メートルであるミラーに対しては、ミラーの基板の厚さは約０．５ミリメートル、それより小さいミラーに対しては基板の厚さは０．３ミリメートルから０．１ミリメートルというのが専ら例示であるが、使用可能な基板の厚さに対する指標であると述べることができる。

更に本発明の目的は前述したミラーと別の光学要素とを含む光学結像システムによって達成される。前記光学結像システムは、補強要素がミラーの位置と別の光学要素の位置との相対位置を同時に固定し、前記の別の光学要素あるいはその上に配置された第二の位置決め手段と協働する位置決め手段が補強要素に配置されていることを特徴とする。このように設計された結像システムは、それらが容易かつ高精度で装着可能であり、そして殆どの要素が高度の安定性を有しているので軽量であるのみならず高度の光学要件を満足させる。

この目的に対して、ミラー上の補強要素は、光学ベンチ（ｏｐｔｉｃａｌ ｂｅｎｃｈ）として作用し、所定の位置において前記の別の光学要素を正確に位置決めする位置決め手段を有すように設計することができる。補強要素は、例えばチューブ状でよく、特に円筒形あるいは円錐形とすることができる。前記の別の光学要素を位置決めする位置決め手段は端部に配置することができる。

前記の別の光学要素とは特にミラー、レンズあるいは特定の光学特性を有するガラスプレートでもよい。そのようなガラスプレートは、一方向に高度な透過性を有し、別の方向には高度の反射性を有する特定の反射特性を備えた結晶構造（半反射ミラー）でもよい。前記ガラスプレートはまた、例えばコレステリック液晶（ｃｈｏｌｅｓｔｅｒｉｃ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌｓ：ＣＬＣ）、あるいはある波長範囲内の一次波長の周りで求心され、および（または）円形の偏向方向（ｃｉｒｃｕｌａｒ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）の回転のある方向を有するような光線成分を除いて電磁放射線の全ての波長を反射するその他のポリマのような液晶を含有しうる。

光学要素のタイプに応じて、該光学要素は補強要素の位置決め手段と直接協働するか、あるいはそれ自体が補強要素の位置決め手段と協働する位置決め手段を有するようにしうる。例えば、その結像特性が平面、すなわち例えば平面ミラーあるいはガラスプレートにおいて移動しても変化しない光学要素は補強要素の位置決め手段と直接協働しうる。この場合、補強要素はミラーとガラスプレートとの間の距離と角度とを決めるだけでよい。

結像特性が空間における正確な位置によって左右される光学要素の場合、それがミラーの補強要素の位置決め手段と共に相対的な要素の正確な位置を画定する独自の位置決め手段を有するとすれば有利である。前記位置決め手段は前記の別の光学要素に一体的に接続されることが有利である。

位置決め手段は精密な面であることが好ましい。例えば、チューブ状の補強要素の縁部は精密な面の形態でもよく、従って前記縁部に載置されるようになる平面ミラーの位置を極めて正確に画定できる。

前記の別の光学要素が同様に位置決め手段を有するとすれば、これらの位置決め手段もまた精密な面の形態としうる。例えば、別のミラーは、その縁部が同様に精密な面の形態であり、第一のミラーの縁面に載置されるようになる、第一のミラーのそれと同様の補強要素を有しうる。

協働する位置決め手段の場合、本発明の有利な実施例は相互に合わせられる関係にある位置決め手段の形態をとっている。従って、位置決め手段は凹型、凸型、あるいは楔状でもよく、あるいは一方向に別の態様でテーパを付けてもよい。

特に好適な実施例においては、位置決め手段は空洞あるいは空隙がそれらの接触点の近傍に形成されるような要領で形成される。このことによって、もしも前記空洞あるいは空隙が毛管作用を有するような寸法とされるとすれば、その接着性が促進される、すなわち改良されるように形成されている。そうすれば、前記要素は最初から正確に位置決めすることができる。その後、毛管作用によって前記空隙あるいは空洞中へ吸引される液状の接着剤を塗布することが可能で、よく延びる接着を提供する。

ミラー、補強要素、別の光学要素および位置決め手段は結像システムの結像特性に対する熱変形の影響を最小にするために、相互に近いところにある熱膨張係数を有する材料から構成することが好ましい。この設計の方は電鋳法によって製造し、一体的な補強要素を有するミラーによって達成することが可能である。別の光学要素および（または）位置決め手段も同様にこの方法によって製造することが可能であり、そのため結像システムあるいはいずれにしても該システムの実質的な構成要素は同じ材料から構成される。

構成要素を接合するために使用される接着剤あるいは永続的な接続のために使用されるその他の要素もまた、同じような熱膨張係数を有することが好ましい。

もしも安定性を増すために、ミラーがこの領域において結像特性を損なう変形を有するとすれば、これらの変形は、例えば別の構成要素の保持要素によるように、結像システムのその他の構成要素によって隠蔽される領域に配置されることが好ましい。

本発明による結像システムの実施例によると、光路（ｂｅａｍ ｐａｔｈ）の焦点は補強要素および（または）位置決め手段の近傍に配置させることができる。例えば、所謂スキューレフレクタ（ｓｋｅｗ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒｓ）がそのような光路を有している。光路の焦点は典型的には、例えば光ファイバーのような光学導波要素において光線を入力あるいは出力するために使用される。前述した本発明による設計によって、補強要素の上にそのような光学導波要素を安定保持する装置を配置させることが可能である。光学導波要素はそれらの位置においてしっかりと保持され、結像システムの全体的な調整を阻害することなく作動させることができる調整要素を提供することが可能である。
別の特に有利な実施例は、例えば１個以上の反射性で適当な形状の面を提供することによって補強要素に直接第二の光学要素を配置させることである。

従って、結像システムを巧みに設計することによって、該システム全体が全ての結像要素を一体的に囲繞する要素から構成されることを保証することができる。諸要素の相互に対する調整は可能でなく、必要でもない。諸要素は常に相互に対して最適に位置される。

特に、本発明による光学結像システムは光軸が正に一本のみでない望遠鏡でもよい。

本発明によるミラーと、本発明による光学結像システムとは光通信技術に使用されることが好ましい。

添付図面を参照して本発明を以下詳細に説明する。

図１に縦断面図で示されている本発明によるミラー１はその縁部２において補強要素３に一体的に接続されている。補強要素はミラーを完全に囲繞している。ミラーは電鋳法によって補強要素と一緒に製造される。

図２は縁部において内側の補強要素１５に一体接続されているミラー１を示す。内側補強要素はミラーの縁部２を完全に囲繞している。３個の支柱１３は内側補強要素と係合し、外側は環状部分１４のところで終わっている。支柱１３はミラーの平面と共に三次元の物体を形成している、すなわち支柱はミラーの平面に対して鋭角で傾斜している。安定性の理由から、それらは長手方向に対して平行に彎曲している。それらは概ね接線方向で内側補強要素１５と係合している。その結果、ミラーに変形あるいは位置的な変化をもたらすような力が熱あるいは重力の影響によってミラー１に作用することはないが、専ら、ミラーを回転させる力が加えられ、その結果回転対称形のミラーの場合には結像特性上は何ら変化を生じさせない。支柱１３を安定させることに加えて、外側リング１４はまた、例えば望遠鏡のような光学システムにおいてミラーを正確に位置決め、および（または）固定するよう作用しうる。

図３は本発明による光学結像システムの一例、すなわち望遠鏡を示す。この望遠鏡は一次ミラー１と別の光学要素４、すなわち二次ミラーとから構成されている。補強要素３は一次ミラーの縁部に接続され、該ミラーを安定させる。同時に、一次ミラー１と二次ミラー４との位置を相対的に固定する。ミラー１とミラー４を相対的に位置決めするために、補強要素３は二次ミラー４にある第二の位置決め手段６と協働する第一の位置決め手段５を有している。この望遠鏡の双方の構成要素は電鋳法によって製造される。これによって高精密ミラー１，４および該ミラー１，４を高精度で相対的に位置決めできるようにするための精密面として相互に対面する前記位置決め手段５，６の面の双方共が同時に製造できるようにする。望遠鏡のミラーは光軸に対して垂直の平面においてのみ調整する必要がある。ミラー１とミラー４の間の距離は高精度で規定される。二次ミラー４は設計としては図２に示すミラーでよい。

図４は図３に示すものと基本的に同じ設計である望遠鏡を示す。しかしながら、位置決め手段５，６は概略図示するように自動調整式である。位置決め手段５，６は相互に補完関係にあるＶ字形７を有している。その結果、二次ミラー４は自動的に一次ミラー１に対して高精度の所定位置に持ってこられる。調整は全く必要とされない。

この所定位置に構成要素を固定するのは位置決め手段５，６の縁部でクランプによるか、あるいは接着剤による接合によって達成することができる。接着剤による接合に対しては、接着剤をその中へ導入しうる空洞９あるいは空隙１０が位置決め手段５，６の相互接触点８の近傍で形成されるように位置決め手段５，６を形成することが有利である。このことは、例えば図示のように、位置決め手段５，６が正確な補完形状ではなくて、それらのＶ字形の角度が僅かに相違するようにすれば達成可能である。

毛管作用を有する空洞９あるいは空隙１０によって接着効果および調整精度が向上する。光学システムの諸要素を組み立てる前に接着剤を塗布すると、位置決め手段５，６の接触面の間に接着剤の残留分が進入することによって調整精度は不正確となる。従って、接着剤が毛管作用によって前記空洞や空隙中へ自動的に進入できるようにすることが有利である。僅かに形状が異なる位置決め手段５，６の場合には接触面積が少なくなることによっても組立ての間の不正確な作業によって位置決め手段５，６の間に接着剤層がとどまることのないようにする。接触面積が小さいことで、その間に進入した接着剤が押し出され、近傍の空洞９あるいは空隙１０中へ圧入される。

図５は自動調整位置決め手段５，６の種々実施例を概略図示する。図５Ａに示す位置決め手段５，６は縁部分が折り曲げられている。図５Ｂに示す位置決め手段５，６はＶ字形であり、内側の位置決め手段６の先端が切頭状とされている。その結果、接着剤を受け入れるよう作用する空洞９が２個の位置決め手段の間に形成される。図５Ｃは２個の位置決め要素において、僅かに相違する曲率を有する２個の自動調整位置決め手段５，６を示している。

図６は一次ミラー１と、その縁部２を囲繞している補強要素３とを含む光学結像システムを示し、該結像システムにおいて、二次ミラー４が補強要素３に配置されている。適当な形状にすることにより、そのような光軸外し望遠鏡（ｏｆｆ−ａｘｉｓ ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ）は電鋳法によって高精度で一体的に製造することができる。前記望遠鏡は調整が必要でなく、かつ調整ミスの原因となったり、光学特性を損なう可能性のある個々要素間の接触面を何ら有していない。

前記望遠鏡は、図示例の場合は、遠距離通信に適用するガラスファイバのための入力あるいは出力要素１２の保持要素１１を補強要素３に有している。

図７は別の光学結像システム、すなわちスキューレフレクタ望遠鏡を断面で示している。一次ミラー１は該ミラーを安定化する補強要素３によって完全に囲繞されている。望遠鏡の二次ミラー４を形成しているミラー面の形態の面が補強要素に一体形成されている。更に、三次ミラー１６を位置決めするよう作用する位置決め手段５が補強要素３に装着されている。一次ミラー１は補強要素３および位置決め手段５と一緒に電鋳法によって一体物として製造される。三次ミラー１６も同様に電鋳法によって製造され、一体形成の位置決め手段６を有しており、該位置決め手段によって、三次ミラーは一次ミラーおよび二次ミラーを含む望遠鏡の別の部分に対して高精度で前述のように位置決めすることができる。

一体的に接続した補強要素を有している本発明によるミラーの縦断面図である。 支柱を備えた補強要素を有する本発明によるミラーの平面図を示す。 本発明による光学結像システムの縦断面図である。 自動調整位置決め手段（ｓｅｌｆ−ｏｒｉｅｎｔｉｎｇ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｍｅａｎｓ）を有する光学結像システムの縦断面図を示す。 種々の自動調整位置決め手段の縦断面図を示す。 補強要素に配置された第二のミラーを有する光学結像システムの縦断面図を示す。 別の光学結像システムの縦断面図を示す。

Claims (26)

1. 光学結像システムに使用するミラー（１）において、該ミラー（１）が、該ミラーを少なくとも部分的に囲繞する補強要素（３）に縁部において一体的に接続されていて、前記補強要素（３）は、前記ミラー（１）の縁部（２）の面と一致しかつほぼ平行なものである複数の面を有する２本以上の支柱（１３）を含み、前記支柱（１３）のそれぞれの少なくとも一部分は前記ミラー（１）と概ね接線方向において係合していることを特徴とするミラー。
2. 前記補強要素（３）が前記ミラーの縁部（２）を完全に囲繞していることを特徴とする請求項１に記載のミラー。
3. 前記補強要素（３）が、前記支柱（１３）がそこで終わっている外側要素（１４）を含むことを特徴とする請求項１に記載のミラー。
4. 前記支柱（１３）が等しい距離で間隔をあけていることを特徴とする請求項１に記載のミラー。
5. 前記ミラー（１）と前記補強要素（３）とが電鋳法によって製造されることを特徴とする請求項１に記載のミラー。
6. 前記ミラー（１）の部分が安定化のために変形したミラー面を有することを特徴とする請求項１に記載のミラー。
7. 請求項１に記載のミラー（１）と別の光学要素（４）とを含む光学結像システムにおいて、前記補強要素（３）が前記ミラー（１）の位置と前記別の光学要素（４）の位置とを相対的に同時に固定し、前記の別の光学要素（４）と協働する位置決め手段（５）が前記補強要素（３）に配置されていることを特徴とする光学結像システム。
8. 請求項１に記載のミラー（１）と別の光学要素（４）とを含む光学結像システムにおいて、前記補強要素（３）が前記ミラー（１）の位置と別の光学要素（４）の位置とを相対的に同時に固定し、前記の別の光学要素（４）に配置されている位置決め手段（６）と協働する位置決め手段（５）が前記補強要素（３）に配置されていることを特徴とする光学結像システム。
9. 前記の別の光学要素（４）が前記位置決め手段（６）に一体的に接続されていることを特徴とする請求項８に記載の光学結像システム。
10. 前記の別の光学要素（４）がミラーまたはレンズであることを特徴とする請求項７から請求項９までのいずれか１項に記載の光学結像システム。
11. 前記の別の光学要素（４）がその光学特性を変えることなくある平面において移動可能であることを特徴とする請求項７から請求項１０までのいずれか１項に記載の光学結像システム。
12. 前記位置決め手段（５，６）が精密な面であることを特徴とする請求項７から請求項１１までのいずれか１項に記載の光学結像システム。
13. 前記位置決め手段（５，６）が相互に対して合わされる形状を有することを特徴とする請求項７から請求項１２までのいずれか１項に記載の光学結像システム。
14. 前記位置決め手段（５，６）が、該位置決め手段（５，６）の接触点（８）に隣接して空洞（９）あるいは空隙（１０）が形成されるように形成されていることを特徴とする請求項７から請求項１３までのいずれか１項に記載の光学結像システム。
15. 前記空洞（９）あるいは空隙（１０）が毛管作用を有していることを特徴とする請求項１４に記載の光学結像システム。
16. 前記ミラー（１）、補強要素（３）、別の光学要素（４）および位置決め手段（５，６）が相互に近い熱膨張係数を有する材料から構成されていることを特徴とする請求項７から請求項１５までのいずれか１項に記載の光学結像システム。
17. 前記の別の光学要素（４）および（または）位置決め手段（６）が電鋳法によって製造されることを特徴とする請求項７から請求項１６までのいずれか１項に記載の光学結像システム。
18. 請求項４に記載のミラー（１）を含み、ミラー面の変形が前記結像システムの他の構成要素によって隠蔽される領域において少なくとも主として位置していることを特徴とする請求項７から請求項１７までのいずれか１項に記載の光学結像システム。
19. 前記結像システムが、光路（Ｓ）の焦点（Ｆ）が前記補強要素（３）および（または）位置決め手段（５，６）の近傍に配置されるように設計されていることを特徴とする請求項７から請求項１８までのいずれか１項に記載の光学結像システム。
20. 前記結像システムがスキューレフレクタであることを特徴とする請求項７から請求項１９までのいずれか１項に記載の光学結像システム。
21. 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のミラー（１）と別の光学要素（４）とを含む光学結像システムにおいて、前記の別の光学要素（４）が前記ミラー（１）の補強要素（３）に直接配置されていることを特徴とする光学結像システム。
22. 前記の別の光学要素（４）が前記補強要素（３）における１個以上の反射面によって形成されるミラーであることを特徴とする請求項２１に記載の光学結像システム。
23. 前記結像システムが望遠鏡であることを特徴とする請求項７から請求項２２までのいずれか１項に記載の光学結像システム。
24. 特に光学導波管あるいは光ファイバ束のための１個以上の入力あるいは出力要素（１２）用の保持要素（１１）が前記補強要素（３）および（または）１個以上の位置決め手段（５，６）に配置されていることを特徴とする請求項７から請求項２３までのいずれか１項に記載の光学結像システム。
25. 請求項１に記載のミラー（１）において、光伝送のために構成されることを特徴とするミラー。
26. 請求項１に記載のミラー（１）において、前記支柱（１３）は該支柱の長手方向軸線と平行に湾曲していることを特徴とするミラー。

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