JP7165092B2 - 反射鏡 - Google Patents

Description

本開示は、高精度な光学機器に使用される反射鏡に関する。

天体望遠鏡、露光装置、３次元形状測定機などの高い精度が要求される光学機器に使用される反射鏡には、軽量、高剛性、高精度などの特性が求められる。特に、反射鏡が大型（例えば直径３００ｍｍ以上）になり重量が大きくなると、自重によるたわみや関連部位の変形による精度の悪化、取付作業性の悪化が問題になる。反射鏡の軽量化と高剛性を両立させるため、裏面に凹部とリブ部を有する反射鏡が知られている（特許文献１参照）。

また、反射鏡が、製造時と異なる温度環境や、温度変化のある環境で使用される場合、反射鏡の基体は、熱膨張係数の小さい、低熱膨張材料で作製することが好ましい。低熱膨張材料の一例として、コージェライトセラミックスがある（特許文献２参照）。

特開２０１０－４９２５7号公報 特開平１１－１９４２０６号公報

本開示は、軽量で、自重によるたわみが小さい、高精度な反射鏡を提供することを目的とする。

本開示の反射鏡は、表面と裏面とを有する基体と、前記表面に配置された反射体とを備え、前記裏面に複数の凹部と、前記凹部を画定する複数のリブ部とを備え、前記表面または前記裏面の外周付近に配置された、複数の凸状の支持部を備えた反射鏡であって、前記表面および前記裏面の外形状と前記支持部と前記リブ部の配置は、３回対称であり、前記リブ部は、前記外周沿いを１周する、第１リブ部と、前記裏面から透視して、前記支持部同士を接続する、略正三角形状の第２リブ部と、前記裏面から透視して、前記第１リブ部の前記支持部同士の中間点である第１中間点と前記支持部とを接続する、略正六角形状の第３リブ部と、前記第１中間点と前記第２リブ部の各辺の中間点である第２中間点とを接続する第４リブ部とを有し、前記裏面の中心と前記第２中間点を接続する第５リブ部、前記裏面から透視して、前記中心と前記支持部を接続する第６リブ部のうち、前記第２中間点同士を接続する第７リブ部、少なくともいずれかを有する。

本開示によれば、自重によるたわみが小さい、高精度な反射鏡を提供することができる。

本開示の比較例の反射鏡の概略図である。 本開示の比較例の反射鏡の概略図である。 本開示の比較例の反射鏡の概略図である。 本開示の比較例の反射鏡の概略図である。 本開示の一実施形態の反射鏡の概略図である。 本開示の他の実施形態の反射鏡の概略図である。 本開示の他の実施形態の反射鏡の概略図である。 本開示の他の実施形態の反射鏡の概略図である。 本開示の他の実施形態の反射鏡の概略図である。 本開示の他の実施形態の反射鏡の概略図である。 本開示の反射鏡の概略図である。

本開示の反射鏡について、反射鏡が平面鏡である場合を例として、図を参照しながら説明する。図５～１１は、本実施形態の反射鏡を示す概略図、図１～４は、比較例の反射鏡を示す概略図である。

反射鏡１は、表面２ａと裏面２ｂとを有する基体２と、表面２ａに配置された反射体３と、表面２ａまたは裏面２ｂの外周付近に配置された、少なくとも３つの凸状の支持部６を備える。反射鏡１は、球面鏡、放物面鏡などの曲面鏡であってもよい。

基体２は、反射鏡１の形状を規定する、反射鏡１の主要な構成要素である。基体２は、裏面２ｂに複数の凹部４と、凹部４を画定する複数のリブ部５とを有する。基体２は、例えば直径３００ｍｍ以上の円板状である。基体２は、低熱膨張材料からなる。本開示において、低熱膨張材料とは、熱膨張係数が、±１×１０^５／Ｋ以下の材料をいう。低熱膨張材料の中でも、コージェライトセラミックは、比剛性が高く、基体２の材質として好適である。

反射体３は、反射鏡１に入射した入射光を反射するための構成要素である。反射体３は、銀、アルミニウムなどの入射光を反射する材料からなり、入射光の波長、反射率などから適宜選択される。反射体３の厚みは、基体２の厚みに対して非常に小さく、例えば１／１００以下である。

支持部６は、表面２ａまたは裏面２ｂの外周付近に配置される。なお、外周付近に配置されるとは、支持部６から外周までの距離が、反射鏡１の中心から外周までの距離（円形であれば半径、正多角形であれば中心から頂点までの距離）に対し、１／８以下であることをいう。

反射鏡１が３つの支持部６を有していれば、反射鏡１を安定して支持できる。支持部６は、基体２と一体で形成されていてもよいし、基体２と別体で形成され、締結、接着などの方法で、基体２に固定されていてもよい。支持部６は、基体２と同じ材質であると特によい。

反射鏡１の外形状、すなわち基体２を表面２ａまたは裏面２ｂから見た時の外周の形状、および支持部６の配置は、３回対称を有する。反射鏡１の外形状は、例えば円形、正三角形、正六角形である。各辺が円弧などの曲線状の多角形や、各頂点が丸まっている角丸多角形であってもよい。

リブ部５は、第１リブ部５ａと第２リブ部５ｂと第３リブ部５ｃと第４リブ部５ｄとを含む。

第１リブ部５ａは、裏面２ｂを外周に沿って１周する。第２リブ部５ｂは、裏面２ｂから透視して、支持部６同士を接続する、略正三角形状である。第３リブ部５ｃは、裏面２ｂから透視して、第１リブ部５ａの支持部６同士の中間点（隣接する二つの支持部６と等距離の点）である第１中間点と支持部６とを接続する、略正六角形状である。第４リブ部
５ｄは、前記第１中間点と第２リブ部５ｂの各辺の中間点である第２中間点とを接続する。

第１リブ部５ａと第２リブ部５ｂと第３リブ部５ｃと第４リブ部５ｄの高さは、全て同じであることが好ましい。第１リブ部５ａの幅は一定であることが好ましい。同様に、第２リブ部５ｂの幅、第３リブ部５ｃの幅、第４リブ部５ｄの幅は、それぞれ一定であることが好ましい。第２リブ部５ｂと第３リブ部５ｃは、その機能を発揮できる範囲において湾曲していてもよい。例えば、正三角形または正六角形の各辺（頂点を結ぶ線分）の総距離のうち５０％以上が第２リブ部５ｂまたは第３リブ部５ｃと重なっていればよい。

リブ部５は、第５リブ部５ｅと第６リブ部５ｆと第７リブ部５ｇのうち、少なくともいずれかを含む。

第５リブ部５ｅは、裏面２ｂの中心と前記第２中間点を接続する。第６リブ部５ｆは、前記第２中間点同士を接続する。第７リブ部５ｇは、裏面２ｂから透視して、裏面２ｂの中心と支持部６を接続する。

反射鏡１は、表面２ａが水平方向に配置される。本開示の反射鏡１は、上記構成を備えているので、軽量で、自重によるたわみが小さく、高精度な反射鏡１を提供することができる。

リブ部５として、第１リブ部５ａ～第４リブ部５ｄに加え、第５リブ部５ｅと第６リブ部５ｆの少なくともいずれかを有していると、特にたわみ量が小さくなる。さらに凹部４の深さとリブ部５の高さが、裏面２ｂの全体で一定であると特によい。

支持部６を裏面２ｂに配置すると、表面２ａの反射可能な領域が大きくなる。一方、支持部６を表面２ａに配置すると、凹部４とリブ部５の配置の障害とならない。支持部６を表面２ａに配置する場合、表面２ａの外周付近に配置すると、反射可能な領域を大きくできる。

支持部６は鉛直方向上方または、下方に配置される。支持部６が上方に配置される場合は、支持部６を吊り下げる部材が必要である。支持部６を下方に配置すると、反射鏡１を、支持部６と当接する部分が同一平面状にある部材に載置すればよいので、上方に配置する場合と比べて構成がより簡略化できる。

リブ部５の、複数のリブ部５が集合する箇所に、さらに凹部４を有していてもよい。これにより、軽量化が可能となる。

裏面２ｂの面積に対する、リブ部５の総面積の比率（リブ部５の面積比率）が、３１％以下であると、軽量化の観点から好適である。同様に、基体２の凹部４を含むかさ体積に対する、基体２の体積の比率（基体２の体積比率）が、４３％以下であると、軽量化の観点から好適である。反射鏡１は、第１リブ部５ａと第２リブ部５ｂと第３リブ部５ｃと第４リブ部５ｄとを備えているので、リブ部５の面積比率が３１％以下、基体２の体積比率が４３％以下であっても、高い剛性を有している。

反射鏡１は、裏面２ｂに接合される、板状の裏カバーを備えていてもよい。これにより、さらに剛性が向上する。

以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は前述した実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良、組合せ等が可
能である。

図１～図１０に示す裏面２ｂの形状モデル（それぞれ条件１～条件１０とする）の基体２について、シーメンス社製の有限要素法を用いた応力解析ソフトであるＮＸ（バージョン１１．０．０．３３）を用いて重力加速度を９８１０ｍｍ／ｓｅｃ＾２とした際の自重によるたわみを解析した。基体２は直径３４０ｍｍ、厚み７０ｍｍのコージェライトセラミックとし、支持部６は表面２ａのＰＣＤ３０５ｍｍ上、３点（図１～１０における０時、４時、８時の方向）とした。解析に用いる物性値は、見かけ密度を２．５ｇ／ｃｍ＾３、ヤング率を１４０ＧＰａ、ポアソン比を０．３１とした。また、リブ部５の高さ（凹部４の深さ）は、５８ｍｍとした。

条件１～４は比較例、条件５～１０は実施例である。条件１は、リブ部５の幅が４ｍｍである。以下、特に記載がないリブ部５の幅は４ｍｍである。条件２は、第２リブ部５ｂの幅が１０ｍｍである。条件３は、図３における塗りつぶし部分の幅が８ｍｍである。条件４は、図４における塗りつぶし部分の幅が８ｍｍである。条件５、７、８、９は、第１リブ部５ａと第３リブ部５ｃの幅が６ｍｍ、第２リブ部５ｂの幅が１０ｍｍである。条件６は、条件５に対し、第２リブ部５ｂの幅が１６ｍｍである。条件１０は、条件９に対し、中心から第５リブ部５ｅの長さまで（Φ１３０ｍｍ）の同心円内のリブ部５の厚みが３８ｍｍである（凹部４の底面の高さは同じで、リブ部５の高さが２０ｍｍ低い）。複数のリブ部５が集合する箇所には、適宜凹部４を形成した。

ＮＸの設定は、メッシュタイプとして３Ｄ四面体を選択し、メッシュパラメータの要素サイズは４ｍｍとした。また、フリーマップドメッシュの試行を選択した。多角形ジオメトリの高解像度化、接点の接続は、使わなかった。

各条件おけるリブ部５の面積比率、基体２の体積比率、基体２の自重によるたわみ量を表１に示す。表１に示すように、本開示の実施例である条件５～１０では、リブ部５の面積比率が、３１％以下、基体２の体積比率が、４３％以下という軽量化を実現しながら、全体のたわみ量が４５ｎｍ以下、反射鏡１の中央領域である、中心から２５０ｍｍ以内の領域のたわみ量が３０ｎｍ以下となった。特に、第１リブ部５ａ～第４リブ部５ｄを有し、第５リブ部５ｅと第６リブ部５ｆの少なくともいずれかを有する、条件５、６、７、９、１０では、全体のたわみ量が４０ｎｍ以下、中央領域のたわみ量が４０ｎｍ以下、中央領域のたわみ量がｘ２８μｍ以下となった。このうち、リブ部５の高さが、全て同じである条件５、６、７、９では、全体のたわみ量が３９ｎｍ以下、中央領域のたわみ量が２７μｍ以下となった。

１ 反射鏡
２ 基体
２ａ 表面
２ｂ 裏面
３ 反射体
４ 凹部
５ リブ部
６ 支持部

Claims (8)

1. 表面と裏面とを有する基体と、前記表面に配置された反射体とを備え、前記裏面に複数の凹部と、前記凹部を画定する複数のリブ部とを備え、前記表面または前記裏面の外周付近に配置された、複数の凸状の支持部を備える反射鏡であって、
   前記表面および前記裏面の外形状と前記支持部と前記リブ部の配置は、３回対称であり、前記リブ部は、前記外周沿いを１周する、第１リブ部と、前記裏面から透視して、前記支持部同士を接続する、略正三角形状の第２リブ部と、前記裏面から透視して、前記第１リブ部の前記支持部同士の中間点である第１中間点と前記支持部とを接続する、略正六角形状の第３リブ部と、前記第１中間点と前記第２リブ部の各辺の中間点である第２中間点とを接続する第４リブ部とを有し、前記裏面の中心と前記第２中間点を接続する第５リブ部、前記裏面から透視して、前記中心と前記支持部を接続する第６リブ部、前記第２中間点同士を接続する第７リブ部、のうち、少なくともいずれかを有し、
   前記リブ部の、複数の前記リブ部が集合する箇所にも前記凹部を有する反射鏡。
2. 前記第５リブ部または前記第６リブ部のうち、少なくともいずれかを有する、請求項１に記載の反射鏡。
3. 前記凹部の深さと前記リブ部の高さが、前記裏面の全体で一定である、請求項２に記載の反射鏡。
4. 前記表面が水平方向に、前記支持部が鉛直方向下方に配置される、請求項１から３のいずれかに記載の反射鏡。
5. 外形状が円形である、請求項１から４のいずれかに記載の反射鏡。
6. 前記裏面に対する前記リブ部の面積比率が、３１％以下である、請求項１から５のいずれかに記載の反射鏡。
7. 前記基体の前記凹部を含むかさ体積に対する基体の体積比率が、４３％以下である、請求項１から６のいずれかに記載の反射鏡。
8. 前記基体が低熱膨張セラミック材料からなる、請求項１から７のいずれかに記載の反射鏡。
   
   

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