(57)【要約】      （修正有）【課題】カセグレン型またはグレゴリー型などの反射望遠鏡部の後方に反射型リレー部が配置される光学系において、反射型リレー部が小型軽量でありながら、太陽光を観測することによる温度上昇を抑えて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】光軸を共有する２枚の反射鏡から構成される望遠鏡部と、反射鏡のみから構成されるリレー部を有する反射光学系において、リレー部は複数のミラー部材Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３とその間に配置される同数の調整部材Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３が結合されることにより構成されており、ミラー部材と調整部材は全て同一材料から成り、ミラー部材は各々が１つの光学反射面Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５と複数のアライメント基準面Ａを有し、各ミラー部材の少なくとも１つのアライメント基準面に対する光学反射面の３次元座標測定結果を基にして隣接する調整部材の形状寸法が決定されていることを特徴とする反射光学系。【選択図】図３
2018031937.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸を共有する２枚の反射鏡から構成される望遠鏡部と、反射鏡のみから構成されるリレー部を有する反射光学系において、
前記リレー部は複数のミラー部材とその間に配置される同数の調整部材が結合されることにより構成されており、
前記ミラー部材と前記調整部材は全て同一材料から成り、
前記ミラー部材は各々が１つの光学反射面と複数のアライメント基準面を有し、
前記各ミラー部材の少なくとも１つのアライメント基準面に対する光学反射面の３次元座標測定結果を基にして隣接する前記調整部材の形状寸法が決定されていることを特徴とする反射光学系。
【請求項２】
請求項１に記載の反射光学系において、前記ミラー部材と前記調整部材を構成する同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
【請求項３】
請求項２に記載の反射光学系において、前記リレー部を構成する各ミラー部材のアライメント基準面と各調整部材の境界面は接着剤を介して結合されており、前記各調整部材の境界面は、平面に加工された接触面と、接着剤を注入するための溝部とから構成されていることを特徴とした反射光学系。
【請求項４】
請求項３に記載の反射光学系において、前記リレー部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ることを特徴とした反射光学系。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の反射光学系を使用し、焦点調整手段を有する天体観測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工衛星などに搭載されて広い波長範囲で天体を観測するための高分解能な反射光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
天体観測に用いられる望遠鏡は、口径が大きいほど分解能と集光力が高くなるため、高い観測性能を求めるほど大口径の望遠鏡が必要となる。しかしながら、口径が１ｍ程度を越えると高品質なレンズを製造することが困難になるため、大口径の望遠鏡では反射鏡のみを用いる反射望遠鏡が主流となっている。また、天体の分光観測で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紫外線の透過率が極端に低下するため、この理由からも反射望遠鏡が必要となる。
【０００３】
一方で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。凹面の主鏡と凸面の副鏡で光束を折り返すカセグレン型の反射望遠鏡は、色収差が無い上に、高倍率すなわち大きな焦点距離でも全長が短くできるため、人工衛星に搭載する光学系としても広く用いられる。類似の光学系として、主鏡の焦点で一度像を形成した後に凹面の副鏡を置くグレゴリー型は、中間像位置に絞りや排熱鏡を置いて不要光や熱赤外波長の光を逃がすことができるため太陽観測によく用いられる。
【０００４】
天体の画像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。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。
【０００５】
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、図５に示すように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、リレー光学系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。
【０００６】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開2014-174211号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。
【０００９】
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、温度分布が発生しやすい。
【００１０】
特に宇宙空間で太陽を観測する用途においては、観測する太陽光により各ミラーに大きな熱エネルギーが流入するにもかかわらず真空中では対流熱伝達が期待できない。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結像性能に影響を与えるおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために本発明では、光軸を共有する２枚の反射鏡から構成される望遠鏡部と、反射鏡のみから構成されるリレー部を有する反射光学系において、前記リレー部は複数のミラー部材とその間に配置される同数の調整部材が結合されることにより構成されており、前記ミラー部材と前記調整部材は全て同一材料から成り、前記ミラー部材は各々が１つの光学反射面と複数のアライメント基準面を有し、前記各ミラー部材の少なくとも１つのアライメント基準面に対する光学反射面の３次元座標測定結果を基にして隣接する前記調整部材の形状寸法が決定されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、リレー部が小型軽量でありながら、太陽光を観測することによる温度上昇や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。また、太陽以外の天体や地球表面を観測する用途においても、小型軽量で温度分布が生じにくいという本発明の効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１の反射光学系の光学配置図である。
【図２】実施例１の反射光学系のリレー部の光学配置の拡大図である。
【図３】実施例１の反射光学系のリレー部の構成を示す図である。
【図４】実施例１の反射光学系のリレー部の結合部を示す図である。
【図５】従来例のリレー部を含む反射光学系の光学配置図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
［実施例１］
図１は、本発明の実施例１の反射光学系の光学配置図である。図１において、１００は本発明の反射光学系全体を、１０１は望遠鏡部を、１０２は反射型のリレー部を示す。また、Ｍ１は望遠鏡部の主鏡、Ｍ２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、Ｍ３〜Ｍ５はリレー部を構成する３枚の反射鏡を示す。
【００１６】
反射光学系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。被写体である太陽などの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Ｍ１で反射されたあと、凹面の副鏡Ｍ２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Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５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に導かれる。
【００１７】
望遠鏡部の主鏡Ｍ１は凹形状で回転放物面に近い回転双曲面、副鏡Ｍ２は凹形状の回転楕円面であり、Ｍ１とＭ２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。
【００１８】
リレー部を構成する第３反射鏡Ｍ３と第４反射鏡Ｍ４と第５反射鏡Ｍ５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１５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。
【００１９】
本実施例の反射光学系は主鏡Ｍ１の有効径がφ1.5mという巨大なものであるが、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。
【００２０】
次にリレー部の具体的な構成について説明する。図３はリレー部の構成を示した図である。リレー光学系を構成する３枚の光学反射面は保持構造体と一体化されたミラー部材Ｂ１，Ｂ２，およびＢ３の一部となっている。ミラー部材Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３は各々が平面に研磨された複数のアライメント基準面を有し、光学反射面の形状加工後に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。
【００２１】
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。
【００２２】
隣接した３つのミラー部材の間には光学反射面の位置や傾きを調整するための調整部材Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３が配置されており、ミラー部材と結合されて１つの光学ユニットを構成している。調整部材Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３はそれぞれミラー部材Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３と結合するための境界面を有している。本実施例のミラー部材と結合される調整部材の結合部（境界面）についての説明図を図４に示す。
【００２３】
各調整部材の境界面は、ミラー部材のアライメント基準面と突き当てられて接触する接触面と、接着剤を注入するための溝部から構成されている。ミラー部材のアライメント基準面に対する光学反射面の３次元座標は加工時に精密に測定されているので、光学反射面の位置誤差や傾き誤差を補正しうるように調整部材の寸法が決定され、接触面が加工される。従って調整部材はミラー部材の加工が完了した後に加工されることになる。接触面は光学反射面の位置や傾きを決定する重要な面となるので、平面度がPV ３μm以内となるように高精度に平面研磨されている。
【００２４】
各調整部材の境界面には接着剤を注入するための溝部が形成されており、ミラー部材と調整部材を組み立てた状態で溝部の側面（図４の上側）から接着剤が注入される。ミラー部材と調整部材の位置関係は境界面の突き当てにより決定されるので、接着剤の層厚は寸法に影響しない構造となっている。ただし、接着層厚が厚過ぎると接着強度が低下することや、温度変化による接着剤の膨張が影響を及ぼすことを防ぐため、接着層厚は30μm以下となるようにしている。
【００２５】
すなわち、接着剤が溜まる溝部は30μm以下の深さとなるように形成されている。以上のように構成することにより、光学反射面が保持構造体と一体的に形成されていても、各光学反射面の加工誤差を補正して光学設計に忠実なアライメントを実現することができる。
【００２６】
前述のミラー部材Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３と調整部材Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３は直接結合されるので、熱歪みを防ぐために全て同一の材料から形成している。このような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。
【００２７】
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。
【００２８】
また、本実施例の光学系は宇宙空間に配置されて太陽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、太陽光の照射による大きな温度分布が生じる可能性がある。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。
【００２９】
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やULE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。
【００３０】
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。本実施例のように温度変化や熱入力が大きい場合には、k/α>50 を満足することが望ましい。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
さらに、本実施例では望遠鏡部を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光学系の場合でも適用可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１００  反射光学系
１０１  望遠鏡部
１０２  リレー部
Ｍ１    第１反射鏡（望遠鏡部の主鏡）
Ｍ２    第２反射鏡（望遠鏡部の副鏡）
Ｍ３    第３反射鏡（リレー部）
Ｍ４    第４反射鏡（リレー部）
Ｍ５    第５反射鏡（リレー部）
Ｆ１    望遠鏡部の焦点面
ＥＸＰ  射出瞳
ＩＭＧ  撮像面
Ｂ１    第１のミラー部材（リレー部のＭ３を含む）
Ｂ２    第２のミラー部材（リレー部のＭ４を含む）
Ｂ３    第３のミラー部材（リレー部のＭ５を含む）
Ｃ１    第１の調整部材
Ｃ２    第２の調整部材
Ｃ３    第３の調整部材
Ａ      ミラー部材のアライメント基準面
Ｋ      調整部材の境界面
Ｓ      調整部材の境界面の接触面
Ｍ      調整部材の境界面の溝部
Ｈ      調整部材の接着剤注入用の穴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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