(57)【要約】【課題】反射鏡の局部的な熱変形を抑制し、結像画像のぼけや歪など光学特性の低下を防ぐことを目的とする。【解決手段】反射面を有する鏡面体２と、この鏡面体２の前記反射面と反対の面に接続され、鏡面体２と同じ材質で構成された隔壁４を有し、前記隔壁４に発熱部８を備えたワッフル構造体５と、発熱部８に電力を供給する電力供給部とを備え、光学反射鏡に外部から熱供給が行なわれたときに、発熱部８を発熱させることによって、光学反射鏡全体を、最も熱入力の大きい部分の温度に合わせる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射面を有する鏡面体と、
この鏡面体の前記反射面と反対の面に接続され、前記鏡面体と同じ材質で構成された隔壁を有し、前記隔壁に発熱部を備えたワッフル構造体と、
前記発熱部に電力を供給する電力供給部と
を備えたことを特徴とする光学反射鏡。
【請求項２】
発熱部は、断面積が隔壁の他の部分の断面積より小さいスリット状の構造を有することを特徴とする請求項１記載の光学反射鏡。
【請求項３】
鏡面体およびワッフル構造体は、炭素繊維強化複合材料で構成されたことを特徴とする請求項１記載の光学反射鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、宇宙空間あるいは地上で使用される大型望遠鏡に用いられる光学反射鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
衛星軌道上で使用される地球観測衛星あるいは宇宙観測衛星は、真空の環境状態のもとでの太陽光と地球の影とによる昼夜の環境変化により、急激でかつ大きな熱入出力の変化に曝される。
【０００３】
そのため、衛星に搭載されている光学反射鏡も衛星の熱入出力の変化の影響が避けられない。線膨張係数がゼロでない素材で光学反射鏡が構成されている場合は、この熱入出力の変化の影響により、光学反射鏡に熱変形が生じる。このとき光学反射鏡が受ける熱入出力の変化は、光学反射鏡全体が同じ熱入出力の変化を受けるのではなく熱入出力の変化に分布があり、その結果光学反射鏡には必ず温度分布（温度勾配）が発生する。そのため、光学反射鏡は均一に変形をせず、温度分布に応じた局所的な熱歪が発生する。したがって、この熱歪により光学反射鏡の反射面に変形が生じ、結像画像のぼけや歪など光学特性の低下が生じる。
【０００４】
これを改善する方法として、反射鏡と支持体を介してこの反射鏡を保持する光学架台との間に高熱伝導接着剤を用いて熱伝導部材を接続し、反射鏡の鏡面で発生した熱を熱伝導部材を介して光学架台へすばやく伝熱して反射鏡の温度分布を小さくする方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、別の方法として、反射鏡の表面温度分布を検出する温度分布検出手段と、反射鏡の裏面を部分的に加熱または冷却するための熱線ヒータおよびファンからなる温度制御手段とを備え、検出された表面温度分布に基づき温度制御手段を動作させて反射鏡の表面温度分布を調整する方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１３０１０号公報（３頁、図１）
【特許文献２】特開平１０−２８４３９０号公報（３頁、図３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、反射鏡と光学架台との間に熱伝導部材を接続し、反射鏡の鏡面で発生した熱を熱伝導部材を介して光学架台へすばやく伝熱して反射鏡の温度分布を小さくする従来の方法においては、反射鏡を構成する部材の熱膨張係数と高熱伝導接着剤や高熱伝導部材の熱膨張係数とが異なることから、熱伝導部材が接続された部分での熱歪の発生が不可避であり、この部分での光学反射鏡の局所的な変形を防ぐことができないという問題があった。
【０００８】
また、反射鏡の表面温度分布に基づき熱線ヒータおよびファンを動作させて反射鏡の表面温度分布を調整する従来の方法においても、反射鏡を構成する部材の熱膨張係数と熱線ヒータの熱膨張係数とが異なることから、熱線ヒータの接着された部分での熱歪の発生が不可避であり、この部分での光学反射鏡の局所的な変形を防ぐことができないという問題があった。
【０００９】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、反射鏡の局部的な熱変形を抑制し、結像画像のぼけや歪など光学特性の低下を防ぐことを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係る光学反射鏡は、反射面を有する鏡面体と、この鏡面体の前記反射面と反対の面に接続され、鏡面体と同じ材質で構成された隔壁を有し、前記隔壁に発熱部を備えたワッフル構造体と、発熱部に電力を供給する電力供給部とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明は、鏡面体と同じ材質で構成されたワッフル構造体で鏡面体の形状を維持し、このワッフル構造体の隔壁に発熱部を備えているので、反射鏡の局部的な熱変形を抑制し、結像画像のぼけや歪など光学特性の低下を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１の光学反射鏡の模式図である。
【図２】この発明の実施の形態１の光学反射鏡の模式図である。
【図３】この発明の実施の形態１における光学反射鏡の発熱部の模式図である。
【図４】この発明の実施の形態２における光学反射鏡の特性を測定するための測定方法の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
この発明の光学反射鏡に用いる材料としては、以下に示す条件を満たすものが望ましい。
（１）比強度、比剛性が高く、破壊靱性値が高い素材であること。
（２）抵抗発熱体としての導電特性を有すること。
（３）熱膨張係数が小さく、熱伝導率の高い物性を有すること。
（４）製造プロセスが簡単で、形状製造性が優れていること。
（５）汎用設備による製造が可能で、素材の加工性が優れていること。
（６）単一素材で、構成部材の全ての形状が製造可能であり、かつ、一体化（組み合わせが）可能であること。
【００１４】
実施の形態１においては、上記の要求特性を満たす材料として、炭素繊維強化炭化ケイ素複合材料（以下、Ｃ／ＳｉＣと略して記載する）を用いて光学反射鏡を作製したものである。
【００１５】
図１は、本実施の形態における光学反射鏡１の模式図である。鏡面体２は、外形約５００ｍｍ、内径約１３０ｍｍ、厚さ約５０ｍｍの凹面鏡形状であり、焦点距離は約１５７２．５ｍｍである。この鏡面体２は、Ｃ／ＳｉＣの塊から切削加工により、所定の形状としたものである。鏡面体２の反射面３には、光反射のためにアルミニウムの薄膜が、例えばスパッタ成膜により形成されている。
【００１６】
図２は、本実施の形態における光学反射鏡１を反射面の裏側から見たときの模式図である。図２において、光学反射鏡１の裏面には、切削加工により隔壁４が形成されている。この隔壁４は、隔壁の厚さが約４ｍｍで一辺が約７５ｍｍの正三角形に配置され、全体としてワッフル構造体５を構成している。このワッフル構造体５は、図１に示したように、支持部材６で光学架台７に固定されている。
【００１７】
図３は、本実施の形態における隔壁４の拡大模式図である。隔壁４には、この隔壁４の他の部分より断面積が小さい発熱部８が形成されている。発熱部８は、隔壁４をスリット状に加工したもので、この発熱部８の断面積は、同じ隔壁４の他の部分より断面積を小さくして、電気抵抗が高くなるように設定されている。このスリット部の先端部８ａとスリット部の基部８ｂとの間には電力供給部（図示せず）が接続されている。この電力供給部から電力を供給してスリット状の発熱部８を発熱させることができる。
【００１８】
このように構成された光学反射鏡においては、鏡面体の反射面および裏面のワッフル構造体が同じＣ／ＳｉＣで構成されている。また、ワッフル構造体の隔壁形成された発熱部も同じＣ／ＳｉＣで構成されている。光学反射鏡が衛星軌道上で用いられる場合、光学反射鏡は太陽光の照射による熱入力以外は、常に熱出力の状態に置かれている。光学反射鏡の反射面に太陽光が照射される場合、反射面全体に均一に照射されるのではなく、通常は不均一に照射される。このとき、光学反射鏡の反射面に不均一な熱入力が行なわれるが、熱入力の少ない反射面の位置に対応する発熱部を発熱させることにより、光学反射鏡全体を、最も太陽からの熱入力の大きい部分の温度に合わせることができる。
【００１９】
また、支持部材が直接鏡面体の反射面を支持するのではなく、ワッフル構造体を介して支持しており、鏡面体の反射面および裏面のワッフル構造体を同じＣ／ＳｉＣで構成しているので、光学反射鏡の局部的な熱変形を最小限に抑制することができる。
【００２０】
このように、本実施の形態における光学反射鏡においては、鏡面体の反射面、裏面のワッフル構造体およびワッフル構造体の隔壁形成された発熱部を同じＣ／ＳｉＣで構成し、熱入力の少ない反射面の位置に対応する発熱部を発熱させることにより、光学反射鏡全体の温度を最も太陽からの熱入力の大きい部分の温度に合わせているので、反射鏡の局部的な熱変形を抑制し、結像画像のぼけや歪など光学特性の低下を防ぐことができる。
【００２１】
なお、本実施の形態においては、ワッフル構造体として隔壁を正三角形に並べる構造としたが、四角形や六角形などの構造を採用することもできる。また、図２に示すように、本実施の形態においては、隔壁の全てに発熱部を形成したが、隔壁の間隔が小さい場合や、熱分布の許容度に応じて発熱部を形成しない障壁があってもよい。
【００２２】
また、本実施の形態においては、隔壁をスリット状に加工して発熱部を構成しているが、必ずしも隔壁と同じ材料で発熱部を構成する必要はない。発熱部は、線膨張係数が隔壁を構成する材料の線熱膨張係数と近い材料、もしくは剛性の低い柔らかい材料で構成することもできる。
【００２３】
また、本実施の形態においては、光学反射鏡に用いる材料に要求される特性を満たす材料としてＣ／ＳｉＣを採用したが、それ以外に、ベリリウムなどの材料を用いることもできる。
【００２４】
なお、ワッフル構造体は、支持部材で光学架台に固定されているが、さらにワッフル構造体と光学架台との間に、高熱伝導接着剤を用いて熱伝導部材を接続してもよい。このような熱伝導部材を設けることで、鏡面体全体の温度上昇を抑制することができる。
【００２５】
実施の形態２．
実施の形態２においては、実施の形態１で作製した光学反射鏡の熱変形を測定したものである。
【００２６】
図４は、本実施の形態における光学反射鏡の熱変形を測定するための測定方法の概略図である。図４において、光学反射鏡１の反射面３に対向して光学干渉計１０が配置されている。この光学干渉計１０は、反射面３の鏡面精度を測定することができる。また、反射面３の斜め前方にハロゲンランプ１１が配置されている。さらに、反射面３と光学干渉計１０との間にハーフミラー１２が配置されており、このハーフミラー１２を介して反射面３の温度分布を測定するための温度測定器１３が配置されている。光学干渉計１０としては、例えばザイゴ社製のＧＰＩ−ＸＰレーザ干渉計式形状測定器を用いることができる。
【００２７】
始めに、室温２３．４℃の環境のもとで反射面３の温度分布を測定した。また、同時に反射面３の鏡面精度（波面収差）を測定した。その結果、反射面３の温度分布は、２３．４℃±０．１℃であり、波面収差は、０．２５４λ（ｒｍｓ）であった。ここで、波面収差とは、光学系を通過した同心球面波面の乱れのことであり、本実施の形態においては、光学反射鏡で収束した同心球面波面と理想波面との偏差の標準偏差の二乗平均平方根（ｒｍｓ：ｒｏｏｔ  ｍｅａｎ  ｓｑｕａｒｅ）で定義される。また、λは光学干渉計１０のレーザ光源の波長であり、例えば光学干渉計１０の光源がＨｅ−Ｎｅレーザであれば、λ＝６３２．８ｎｍである。波面収差がレイリー限界（１／４λ）以下であれば、理想的な反射面の鏡面精度と大きな差がないと判断される。
【００２８】
次に、ハロゲンランプ１１を点灯し、光学反射鏡１の反射面３を照射し、反射面３に外部からの熱供給を行なった。ハロゲンランプ１１の照射を６０分継続したのち、反射面３の温度分布を計測した結果、ハロゲンランプ１１に近い反射面３の上方では２８．９℃、ハロゲンランプ１１から遠い反射面３の下方では２４．６℃となり、反射面３の上下で４．３℃の温度差が確認された。また、このときの波面収差は０．３２７λ（ｒｍｓ）となり、波面収差の変形量は、０．３２７−０．２５４＝０．０３７λ(ｒｍｓ)となった。
【００２９】
次に、上述のハロゲンランプの継続照射による反射面３の温度分布の測定結果に基づいて、反射面全体の温度が均一になるように発熱部に電力供給部から電力を供給し、光学反射鏡の温度制御を行った。具体的には、光学反射鏡の反射面３の全体の温度を、ハロゲンランプ１１に近い反射面３の上方で測定された２８．９℃より若干高い温度となるように温度制御を行った。その結果、反射面３の温度分布は、２９．２℃±０．２℃となり、波面収差は、０．２５４λ（ｒｍｓ）となり、波面収差の変形量は、０．２５４−０．２５４＝０．０００λ(ｒｍｓ)と、変形はみられなかった。
【００３０】
以上の結果から、発熱部で発熱させて光学反射鏡の反射面の温度を均一にする制御を行うことにより、制御を行わない場合と比較して、反射面の温度分布の幅を４．３℃から０．４℃に、波面収差の変化量を０．０３７λ（ｒｍｓ）から０．０００λ（ｒｍｓ）へと大幅に改善することができる。
【００３１】
上述のように、光学反射鏡に外部から熱供給が行なわれたときに、反射面の裏側に配置されたワッフル構造体の隔壁に形成された発熱部を発熱させることによって、光学反射鏡全体を、最も熱入力の大きい部分の温度に合わせることができる。その結果、熱歪による波面精度の劣化がなく、安定した光学性能が維持することができる。
【符号の説明】
【００３２】
１  光学反射鏡
２  鏡面体
３  反射面
４  隔壁
５  ワッフル構造体
６  支持部材
７  光学架台
８  発熱部
８ａ  先端部
８ｂ  基部
１０  光学干渉計
１１  ハロゲンランプ
１２  ハーフミラー
１３  温度測定器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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