JP5506473B2 - 保持装置、光学装置及び望遠鏡 - Google Patents
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Description
<比較例>
図9を参照して、本発明の一側面としての保持装置の比較例として、一般的な保持装置1000について説明する。図9(a)は、保持装置1000の上面図であり、図9(b)は、図9(a)に示す保持装置1000のA−A断面図である。なお、図9(b)では、説明に不要な構成要素は図示していない。
L9=L93−L91 ・・・(式1)
距離L9に誤差がある場合、光学素子1100の光学性能が劣化するため、距離L9を高精度に維持する必要がある。
L93’=L93−(L93・α3・ΔT) ・・・(式2)
L91’=L91−(L91・α1・ΔT) ・・・(式3)
一方、図9(c)において、y軸方向の変形に着目すると、光学素子1100が変形(収縮)することで、基準軸AXと接触点との基準軸AXに垂直な方向に沿った距離は、R9からR91’に変化する。また、保持装置1000が変形(収縮)することで、基準軸AXと接触点との基準軸AXに垂直な方向に沿った距離は、R9からR93’に変化する。R91’は、光学素子1100の形状に応じた形状係数Ctを用いて、以下の式4で表される。なお、形状係数Ctは、理論的に求めてもよいし、FEM解析などで導出してもよい。
R91’=R9−R9・Ct・α1・ΔT ・・・(式4)
温度変化の前の接触点C91と温度変化の後の接触点C92との基準軸AXに垂直な方向に沿った距離ΔR9は、以下の式5で表される。
ΔR9=R91’−R93’ ・・・(式5)
このとき、球面1106にz軸方向の変位は発生しない。従って、温度変化の後の第1の基準点P91と第2の基準点P92との基準軸AXに沿った距離L9’は、以下の式6で表される。
L9’=L93’−L91’ ・・・(式6)
基準軸AXに沿った方向(z軸方向)の距離の変化は、構造体1200に対する光学素子1100の位置ずれとなり、光学素子1100の光学性能の劣化を引き起こす。従って、光学素子1100の光学性能を劣化させないためには、L9’=L9を満たすことが必要となる。
L9’−L9=−L93・α3・ΔT+L91・α1・ΔT ・・・(式7)
式7の右辺が0になれば、光学素子1100の光学性能は劣化しない。従って、以下の式8に示す条件を満たすことが必要となる。
L93・α3=L91・α1 ・・・(式8)
式8において、L91及びL93は、第1の基準点P91と第2の基準点P92との基準軸AXに沿った距離L9を規定することで一意に定まる。但し、L91及びL93は光学設計によって定まるため、自由度が少ない。更に、熱膨張率については、α1は光学素子1100の材質によってほぼ限定され、α3も機械的性質を優先すると自由度が少ない。
<第1の実施形態>
図1を参照して、本発明の第1の実施形態における保持装置100について説明する。図1(a)は、保持装置100の上面図であり、図2(b)は、図1(a)に示す保持装置100のA−A断面図である。なお、図2(b)では、説明に不要な構成要素は図示していない。
L1=L13−L11 ・・・(式9)
図1(c)は、保持装置100の環境温度がΔT℃だけ低下した場合において、光学素子200及び保持装置100の温度変化の前後の状態を模式的に示す図である。図1(c)では、温度変化の前、即ち、図1(b)と同じ状態の光学素子200及び保持装置100を破線で示し、温度変化の後の光学素子200’及び保持装置100’を実線で示している。
L11’=L11−(L11・α1・ΔT) ・・・(式11)
一方、図1(c)において、y軸方向の変形に着目すると、光学素子200が変形(収縮)することで、基準軸AXと接触点との基準軸AXに垂直な方向に沿った距離は、R1からR11’に変化する。R11’は、光学素子200の形状に応じた形状係数Ct1を用いて、以下の式12で表される。なお、形状係数Ct1は、理論的に求めてもよいし、FEM解析などで導出してもよい。
R11’=R1−R1・Ct1・α1・ΔT ・・・(式12)
また、保持装置100が変形(収縮)することで、基準軸AXと接触点との基準軸AXに垂直な方向に沿った距離は、R1からR13’に変化する。R13’は、保持装置100の形状に応じた形状係数Ct3を用いて、以下の式13で表される。なお、形状係数Ct3は、理論的に求めてもよいし、FEM解析などで導出してもよい。
R13’=R1−R1・Ct3・α3・ΔT ・・・(式13)
このとき、球面230は、保持部110の傾斜面110aの上を、勾配θ1に沿って移動する。具体的には、球面230は、y軸方向に収縮することでz軸方向にも移動し、接触点C12において傾斜面110aに接触する。換言すれば、接触点は、温度変化の前後において、傾斜面内の異なる点に位置する。温度変化の後の接触点C12は、温度変化の前の接触点C11に対して、z軸方向にΔztだけ移動する。Δztは、以下の式14で表される。
Δzt=(R11’−R13’)・tanθ1 ・・・(式14)
従って、温度変化の後の第1の基準点P11と第2の基準点P12との基準軸AXに沿った距離L1’は、以下の式15で表される。
L1’=L13’−L11’+Δzt ・・・(式15)
ここで、光学素子200の光学性能を劣化させないためには、L1’=L1を満たすことが必要となる。
L1’−L1={−L13・α3+L11・α1+(−R1・Ct1・α1+R1・Ct3・α3)tanθ1}ΔT ・・・(式16)
本実施形態では、式16の右辺が0となるように傾斜面110aの勾配θ1を設定することで、温度変化の前後において、光学素子200の位置ずれを防止し、光学素子200の光学性能の劣化を防止する。具体的には、傾斜面110aの勾配θ1が、基準軸AXに垂直な面に対して、以下の式17を満たせばよい。
θ1=tan−1{(L13・α3−L11・α1)/(R1・(Ct3・α3−Ct1・α1))} ・・・(式17)
なお、勾配θ1は、光学素子200と構造体300との相対位置から一意に決定され、保持装置100は、製造・組立環境と使用環境とで、環境温度が大きく異なる場合にも、光学素子200と構造体300との相対位置を変化させることなく維持することができる。また、勾配θ1は、温度変化にかかわらず一定であるため、保持装置100は、環境温度が大きく変化する場合であっても、光学素子200と構造体300との相対位置を常に一定に維持することができる。
<第2の実施形態>
図5を参照して、本発明の第2の実施形態における保持装置100Aについて説明する。本実施形態では、保持装置100Aは、構造体300に対して、キネマティックにその位置が拘束されている。図5(a)は、保持装置100Aの上面図であり、図5(b)は、図5(a)に示す保持装置100AのA−A断面図である。図5(c)は、図5(a)に示す保持装置100AのB−B断面図である。なお、図5(b)及び図5(c)では、説明に不要な構成要素は図示していない。
δR=R23−R23’ ・・・(式18)
また、図6(b)に示すように、第1の剛体部材150B1及び第2の剛体部材150B2のそれぞれが第1の基準面310B1及び第2の基準面310B2に規定される場合を考える。この場合、ばね部材150B3の半径方向の変化分δR23b’は、第1の剛体部材150B1(第2の剛体部材150B2)の移動量のy軸成分δyと、δRとの和となり、以下の式19で表される。
δR23b’=δy+δR ・・・(式19)
ここで、図6(c)を参照して、第1の剛体部材150B1の移動量のy軸成分δyについて説明する。第1の剛体部材150B1は、第1の基準面310B1がない場合、基準軸AXに垂直な方向(半径方向)にδRだけ変形する。但し、第1の基準面310B1がある場合には、第1の剛体部材150B1は、半径方向に変形することができないため、第1の基準面310B1に沿って移動することになる。従って、第1の剛体部材150B1は、図6(c)に示すように、x軸方向において、距離x1を維持するように第1の基準面310B1に沿って移動し、y軸方向においてδyだけ移動する。なお、δyは、幾何学的な関係から、以下の式20で表される。
δy=2δR ・・・(式20)
また、式19及び式20から、δR23b’は、以下の式21で表される。
δR23b’=3δR ・・・(式21)
従って、式20で表される第1の剛体部材150B1(第2の剛体部材150B2)の移動量のy軸成分は、基準軸AXに対する保持装置100Aの移動量である。また、式20で表される第1の剛体部材150B1(第2の剛体部材150B2)の移動量のy軸成分は、保持装置100Aが構造体300に対して拘束されていない場合における光学素子の球面の基準軸AXに対する移動量でもある。
R23’=sqrt(R232+(((√3)/2)δy)2)
=sqrt(R232+3δR2)≒R23 ・・・(式22)
以下、図7を参照して、第1の保持部110B1の傾斜面110B1a(第2の保持部110B2の傾斜面)の勾配θ21及び第3の保持部110B3の傾斜面110B3aの勾配θ22について説明する。図7(a)は、保持装置100の環境温度がΔT℃だけ低下した場合において、光学素子200及び第1の保持部110B1の温度変化の前後の状態を模式的に示す図である。図7(a)では、温度変化の前の光学素子200及び第1の保持部110B1を破線で示し、温度変化の後の光学素子200’及び第1の保持部110B1’を実線で示している。また、図7(b)は、保持装置100の環境温度がΔT℃だけ低下した場合において、光学素子200及び第3の保持部110B3の温度変化の前後の状態を模式的に示す図である。図7(b)では、温度変化の前の光学素子200及び第3の保持部110B3を破線で示し、温度変化の後の光学素子200’及び第3の保持部110B3’を実線で示している。
Δzta=(R2−R21’)・tanθ21 ・・・(式23)
従って、第1の保持部110B1において、光学素子200の第1の球面230B1を保持する位置L2’は、以下の式24で表される。
L2’=L23’−L21’−Δzta ・・・(式24)
温度変化の前後において、第1の球面230B1を不動にするためには、L2=L2’でなければならない。従って、第1の保持部110B1の傾斜面110B1aの勾配θ21は、以下の式25を満たす必要がある。
θ21=tan−1{(L21・α1−L23・α3)/(R2・Ct1・α1)} ・・・(式25)
一方、図7(b)に示す第3の保持部110B3に保持される光学素子200の第3の球面230B3は、環境温度が変化すると、式21に示すδR23b’に従って移動する。Δztbと第3の保持部110B3の傾斜面110B3aの勾配θ22との関係は、以下の式26で表される。
Δztb=(R21’−R23’)・tanθ22=δR23b’・tanθ22 ・・・(式26)
従って、第1の保持部110B1において、光学素子200の第1の球面230B1を保持する位置L2’は、以下の式27で表される。
L2’=L23’−L21’−Δztb ・・・(式27)
温度変化の前後において、第1の球面230B1を不動にするためには、L2=L2’でなければならない。従って、第3の保持部110B3の傾斜面110B3aの勾配θ22は、以下の式28を満たす必要がある。
θ22=tan−1{(L21・α1−L23・α3)/(3R2・Ct1・α1)} ・・・(式28)
このように、本実施形態の保持装置100Aでは、光学素子200を保持する複数の保持部において、剛体部材を有する保持部の傾斜面の勾配とばね部材を有する保持部の傾斜面の勾配とが異なる。なお、本実施形態では、3つの基準面を等間隔(120度間隔)で構造体300に配置しているが、これに限定されるものではない。また、本実施形態では、保持部と剛体部材及びばね部材とが一体的に構成され、保持部が配置される方位と剛体部材及びばね部材が配置される方位とが一致しているが、保持部が配置される方位と剛体部材及びばね部材が配置される方位とは一致していなくてもよい。例えば、保持部が配置される方位と剛体部材及びばね部材が配置される方位とを逆位相にしたとしても、各保持部の傾斜面の勾配を規定することは可能である。
<第3の実施形態>
図8を参照して、本発明の第3の実施形態としての保持装置100Bについて説明する。保持装置100Bは、第1の保持部110C1と、第2の保持部110C2と、第3の保持部110C3とを有する。
<第4の実施形態>
図10を参照して、本発明の第4の実施形態における反射型の望遠鏡について説明する。架台866は、望遠鏡を支持し、観察する方向に望遠鏡の向きを変更する機能を有し、ジョイント865を介して、筐体864を保持する。筐体864の底面には、主反射鏡867が配置されている。また、筐体864の右上には、フレーム863に固定されたカメラユニット鏡筒862が配置されている。
Claims (10)
- 構造体を有し、前記構造体の基準点から部材の基準点までの距離が基準軸の方向において許容範囲内となるように前記部材を保持する保持装置であって、
それぞれ、前記構造体に支持され、前記基準軸に直交する面に対して傾斜した傾斜面を含み、且つ、前記傾斜面を介して前記部材を保持する複数の保持部を有し、
前記部材および前記複数の保持部の温度が変化しても前記距離が前記許容範囲内となるように前記基準軸を含む面内において前記傾斜面が傾斜している、ことを特徴とする保持装置。 - 前記傾斜面の傾斜角は、前記部材の熱膨張率及び形状と前記複数の保持部の熱膨張率及び形状とに基づいて、前記部材および前記複数の保持部の温度が変化しても前記距離が前記許容範囲内となるように設定されている、ことを特徴とする請求項1に記載の保持装置。
- 前記複数の保持部のそれぞれは、前記傾斜面を構成するV字型溝部又は平面部を有し、
前記部材は、前記V字型溝部又は前記平面部に接触する球面部を有する、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の保持装置。 - 前記部材の熱膨張率をα1、前記複数の保持部の熱膨張率をα3、前記傾斜面と前記部材との接触点と前記基準軸との第1温度での距離をR1、前記部材の前記基準点を含み前記基準軸に直交する面と前記接触点との前記第1温度での距離をL11、前記複数の保持部の前記基準点を含み前記基準軸に直交する面と前記接触点との前記第1温度での距離をL13、前記部材の形状係数をCt1、前記複数の保持部の形状係数をCt3、前記傾斜角をθ1とすると、
前記傾斜角θ1は、
θ1=tan−1{(L13・α3−L11・α1)/(R1・(Ct3・α3−Ct1・α1))}
を満たす、ことを特徴とする請求項1乃至3のうちいずれか1項に記載の保持装置。 - 前記複数の保持部は、前記傾斜面に直交する方向において前記部材と前記傾斜面とを互いに押付ける押付け部をそれぞれ含む、ことを特徴とする請求項1乃至4のうちいずれか1項に記載の保持装置。
- 前記複数の保持部は、第1の保持部と、第2の保持部と、第3の保持部とを含み、
前記第1の保持部は、前記基準軸に直交する方向において前記構造体の第1の基準面に接触し、
前記第2の保持部は、前記基準軸に直交する方向において前記構造体の第2の基準面に接触し、
前記第3の保持部は、圧縮ばねを有し、前記圧縮ばねは、前記基準軸に直交する方向において前記構造体の第3の基準面に接触し、
前記第3の保持部の前記傾斜面の傾斜角は、前記第1の保持部の前記傾斜面の傾斜角及び前記第2の保持部の前記傾斜面の傾斜角とは異なる、ことを特徴とする請求項1に記載の保持装置。 - 前記複数の保持部は、第1のV字型溝部を有する第1の保持部と、第2のV字型溝部を有する第2の保持部と、第3のV字型溝部を有する第3の保持部とを含み、
前記部材は、前記第1のV字型溝部と2点で接触する第1の球面部と、前記第2のV字型溝部と2点で接触する第2の球面部と、前記第3のV字型溝部と2点で接触する第3の球面部とを有し、
前記第1の保持部の前記傾斜面は、前記第1の球面部が前記第1のV字型溝部を移動したときの前記2点の軌跡がそれぞれ形成する2つの直線を含む面によって規定され、
前記第2の保持部の前記傾斜面は、前記第2の球面部が前記第2のV字型溝部を移動したときの前記2点の軌跡がそれぞれ形成する2つの直線を含む面によって規定され、
前記第3の保持部の前記傾斜面は、前記第3の球面部が前記第3のV字型溝部を移動したときの前記2点の軌跡がそれぞれ形成する2つの直線を含む面によって規定される、ことを特徴とする請求項1に記載の保持装置。 - 前記傾斜面を構成するV字型溝部を有する前記複数の保持部の1つとしての第1の保持部と、
前記傾斜面を構成する平面部を有する前記複数の保持部の他の1つとしての第2の保持部と、
前記構造体に支持され、円錐型溝部を有し、且つ、前記円錐型溝部を介して前記部材を保持する第3の保持部と、を有し、
前記部材は、前記V字型溝部と2点で接触する第1の球面部と、前記平面部と1点で接触する第2の球面部と、前記円錐型溝部と3点で接触する第3の球面部とを有する、ことを特徴とする請求項1に記載の保持装置。 - 光学素子と、
請求項1乃至8のうちいずれか1項に記載の保持装置と、
を有し、
前記保持装置は、前記部材として前記光学素子を保持する、ことを特徴とする光学装置。 - 光学素子と、
請求項1乃至8のうちいずれか1項に記載の保持装置と、
を有し、
前記保持装置は、前記部材として前記光学素子を保持する、ことを特徴とする望遠鏡。
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