(57)【要約】  共通支持構造（９）上に互いに固定された位置関係で配置される規定された形状の少なくとも２つの光学機能面（５，６）を有する光学部品を製造する方法であって、工作機械（１５）を使用して、様々な加工工程により、少なくとも２つの光学機能面（５，６）及び光学機能面（５，６）を基準とした規定された測定可能な相対位置を有する少なくとも１つの参照構造（１３）が製造され、全ての加工工程が完了するまで、支持構造（９）は、工作機械（１５）と固定して接続された状態を保ち、少なくとも１つの参照構造（１３）を基準として前記光学機能面（５，６）が測定され、所望の形状又は所望の位置からの光学機能面（５，６）のずれを決定した後で、工作機械の修正された動作を使用して加工工程を少なくとも１回繰り返す製造方法に関する。本発明は更に、このような方法で製造された光学部品を備える光学デバイス及びこのような方法を実行するユニットに関する。【選択図】図５
2013504775.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共通支持構造上に互いに固定された位置関係で配置され、規定された形状を有する少なくとも第１光学機能面及び第２光学機能面を有する光学部品を製造する方法であって、
工作機械を使用して、前記支持構造から形成されている又は前記支持構造上に配置されているブランクから、前記工作機械の動作により規定される形状に第１光学機能面を製造する第１加工工程と、
前記工作機械を使用して、上記ブランク又は前記支持構造に配置された別のブランクから、前記工作機械の動作により規定される形状に少なくとも１つの第２光学機能面を前記第１光学機能面に対する規定された相対位置に製造する第２加工工程と、
前記工作機械を使用して、前記支持構造上に及び／又は上記ブランク上に及び／又は前記別のブランク上に、規定された及び測定可能な前記第１光学機能面及び前記第２光学機能面に対する相対位置を有する少なくとも１つの参照構造を製造する第３加工工程と
を備え、
いかなる時間順で又は同時に実行されてもよい３つの上記加工工程の全てが完了するまで、前記支持構造は、前記工作機械と固定して接続された状態に保たれ、
前記少なくとも１つの参照構造に対する、前記支持構造上の前記少なくとも第１光学機能面及び第２光学機能面の前記形状及び前記位置を、測定構造物内で測定し、
前記少なくとも１つの参照構造を基準として正確に規定される所望の形状又は所望の位置からの、前記第１光学機能面及び前記第２光学機能面のずれを決定し、
前記３つの加工工程は、前記ずれが低減されるような態様で変更された前記工作機械を動作させて、少なくとも１回繰り替えされる方法。
【請求項２】
前記ずれを決定する段階、及び、前記工作機械を変更して動作させて前記加工工程を繰り返す段階は、前記ずれが所定の許容誤差未満になるまで、決定性のある手法で複数回実行されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ブランク及び／又は前記別のブランクは、前記加工工程のうちの少なくとも１つの開始又は完了の後にのみ前記工作機械と接続される前記支持構造上に配置されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方法。
【請求項４】
上記加工工程の間に、前記工作機械を使用して、前記第１光学機能面及び前記第２光学機能面、並びに前記少なくとも１つの参照構造に加えて、少なくとも１つの更なる構造が、前記支持構造上及び／又は前記ブランク上及び／又は前記別のブランク上に製造され、前記少なくとも１つの参照構造を基準とした所望の形状及び所望の位置からの前記少なくとも１つの更なる構造のずれが、測定によって同様に決定される請求項１から３の何れか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記更なる構造が、少なくとも１つの軸受け接触構造、及び／又は、前記支持構造上で軸受け接触又は前記ブランク若しくは前記別のブランクを受容するための保持構造を構成することを特徴とする、又は、
前記更なる構造が、軸受け接触配置を構成し、軸受け上で前記支持構造が光学装置に挿入されてもよく、それにより、前記光学装置内における前記支持構造の位置が少なくとも１つの自由度、好ましくは全ての並進及び回転の自由度に対して固定されていることを特徴とする、又は、
前記更なる構造が、前記第１光学機能面及び前記第２光学機能面のうちの少なくとも１つ上に光学グリッドを構成していることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記少なくとも１つの更なる構造が、前記支持構造上及び／又は前記支持構造内に設けられている運動学的分離構造上に形成されていることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記運動学的分離構造は、前記支持構造と一体的に形成されていることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記運動学的分離構造は、少なくとも１つの硬質の結合及び／又は少なくとも１つのウェブ及び／又は少なくとも１つの膜を有するように設計される、及び／又は、枠体として設計されていることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記加工工程のうちの１つは、好ましくは切断手段としてダイヤモンドを有する、前記工作機械の旋削バイトによって実行されることを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記加工工程のうちの少なくとも１つは、好ましくは切断手段としてダイヤモンドを有する、前記工作機械のフライスヘッドによって実行されることを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１光学機能面及び前記第２光学機能面及び前記少なくとも１つの参照構造を構築するための前記加工工程は、前記工作機械の、好ましくは切断手段としてダイヤモンドを有する少なくとも１つの旋削バイト及び少なくとも１つのフライスヘッドを部分的に使用して実行され、
前記旋削バイト及び前記フライスヘッドを使用した加工は、固定されたツール配置で、連続的に又は交互に実行される請求項１から１０の何れか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１光学機能面及び前記第２光学機能面のうちの少なくとも１つは、ミラーであり、好ましくは金属鏡面を有するミラーであることを特徴とする請求項１から１１の何れか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１光学機能面及び前記第２光学機能面は、平面形状又は凹形状又は凸形状又は自由形状に形成される、又は、これら形状の組み合わせた形状に形成されることを特徴とする請求項１から１２の何れか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの参照構造が、少なくとも１つの点及び／又は少なくとも１つの線及び／又は少なくとも１つの面を規定する、及び／又は、少なくとも球状凹面及び／又は少なくとも１つの円筒形状面を含む又は構成する、又は、十字形状に設計されることを特徴とする請求項１から１３の何れか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記ずれを測定するべく、前記少なくとも１つの参照構造及び／又は前記第１光学機能面及び前記第２光学機能面が、接触する態様で及び／又は干渉法により及び／又は結像光学系を使用して測定される請求項１から１４の何れか１項に記載の方法。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの参照構造は、光学面品質で製造される、及び／又は、前記第１光学機能面及び前記第２光学機能面のうちの少なくとも１つと共に干渉法を使用して測定可能なように製造されることを特徴とする請求項１から１５の何れか１項に記載の方法。
【請求項１７】
前記参照構造を基準とした前記第１光学機能面及び前記第２光学機能面の少なくとも１つの形状及び／又は位置及び／又は向きが、１つ、２つ又は全ての空間的方向及び／又は１つ以上又は全ての空間軸に対して、前記参照構造を使用して決定されるように前記参照構造が設計されていることを特徴とする請求項１から１６の何れか１項に記載の方法。
【請求項１８】
２つ、３つ又は最大で６個の前記参照構造が製造されることを特徴とする請求項１から１７の何れか１項に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１光学機能面及び前記第２光学機能面のうちの少なくとも２つが、共通の回転軸を有し、前記第１光学機能面及び前記第２光学機能面を製造するべく前記工作機械内で前記支持構造が前記回転軸周りに回転することを特徴とする請求項１から１８の何れか１項に記載の方法。
【請求項２０】
前記参照構造を測定した後に、前記ずれを決定するべく、前記参照構造と関連して前記第１光学機能面及び前記第２光学機能面を測定することを特徴とする請求項１から１９の何れか１項に記載の方法。
【請求項２１】
前記参照構造を使用して、前記加工工程の間に前記工作機械に対して厳密に規定される座標系原点の位置を決定した後で、前記第１光学機能面及び前記第２光学機能面が前記座標系原点と関連して測定されることを特徴とする請求項１から２０の何れか１項に記載の方法。
【請求項２２】
請求項１から２１の何れか１項に記載の方法により製造される光学部品を備える光学装置。
【請求項２３】
前記光学装置における前記光学部品の位置及び向きは、少なくとも１つの軸受け接触配置を使用して固定され、前記軸受け接触配置は、前記光学部品の更なる構造として光学精度で製造され、前記軸受け接触配置を使用して、前記光学部品が前記光学装置の支持部に配置されることを特徴とする請求項２２に記載の光学装置。
【請求項２４】
前記光学装置は、望遠鏡である請求項２２又は２３に記載の光学装置。
【請求項２５】
請求項１から２１の何れか１項に記載の方法を実行するデバイスであって、
前記少なくとも第１光学機能面及び第２光学機能面、並びに前記少なくとも１つの参照構造を製造するための工作機械と、
前記工作機械とは別個に設けられる又は一体化されている、前記第１光学機能面及び前記第２光学機能面及び前記少なくとも１つの参照構造を測定するための測定デバイスとを備え、
前記測定デバイスは、プログラミング技術によって設定され、前記少なくとも１つの参照構造を基準に規定される所望の形状及び所望の位置と比較した場合の前記第１光学機能面及び前記第２光学機能面の前記ずれを決定するデバイス。
【請求項２６】
前記測定デバイスは、プログラミング技術を使用して、決定された前記ずれを、前記工作機械の自由度によって規定される座標系へと変換するように設定される、及び／又は、前記加工工程を更に実行することにより、前記ずれの大部分を少なくとも補償できるように、前記工作機械に対する修正された設定値を計算するように設定されることを特徴とする請求項２５に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共通支持構造上に互いに固定された位置関係に少なくとも２つの光学機能面が配置された光学部品（optical arrangement）を製造する方法、並びに、このような光学部品を含む光学装置及びこのような製造方法を実行するデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
共通の支持構造上に所定の形状の２つの光学機能面が配置された光学部品が知られており、例えば、光学機能面がミラーによって構成され、光路が折り畳まれているミラー型望遠鏡がある。共通の支持構造上に設けられた光学部品は、後で機能面の相対的な配置を調整する必要がないため、ミスアライメントを除外できる。しかしながら、ミラーが非球面形状を有する場合、正確に規定された形状を得られるように製造しなければならない上に、同じ精度で２つのミラーを互いに配置・配向させなければならない。
【０００３】
現在の技術では、光学機能面を個別に製造する方法として、例えば、旋盤により金属板（ブランク：blank）から光学機能面を形成し、測定を行って、理想形状からの測定されたずれが最小となるように、機械のパラメータを変更して製造工程を繰り返している。製造工程を反復して繰り返すことにより、理想的な形状からのずれは、サブミクロンの範囲の値にまで低減される。しかしながら、実際に製造された機能面に対して理想形状を最も合致するような態様で配置して、差分を"ずれ"とする、いわゆるフィッティングによって"ずれ"が測定されているため、光学機能面の位置（"位置（position）"という言葉は、本明細書では常に、"位置（location）及び／又は向き（orientation）"を意味する）は制御されていない。このことから、周知の方法は、２以上の機能面を有し外形に沿って配置される光学部品の製造には適用できない。
【発明の概要】
【０００４】
本発明は上記の課題を鑑みて、共通支持構造上に互いに固定された位置関係で、規定された形状の少なくとも２つの光学機能面が配置される光学部品を高い精度で製造する方法を提供し、特に、大きな労力及び時間を費やすことなく、このような光学部品を製造するための機能面の形状及び相対的な位置に関する。また、上記のような製造方法を実行するデバイスを開発することを目的とし、また、少ない労力で製造される外側に配置されるアウトラインタイプの光学部品を有する光学装置を提案する。
【０００５】
本発明によれば、このような目的は、請求項１の特徴及び請求項２２及び請求項２５の特徴を有する方法により、達成される。本発明の有益な設計及び更なる発展については、従属請求項の特徴から導き出せる。
【０００６】
共通支持構造上に互いに固定された位置関係で配置される規定された形状の少なくとも２つの光学機能面を有する光学部品を製造する提案される方法は、工作機械を使用して、支持構造から形成されている又は支持構造上に配置されているブランクから、工作機械の動作により規定される形状に第１光学機能面を製造する第１加工工程と、工作機械を使用して、上記ブランク又は担持構造に配置された別のブランクから、工作機械の動作により規定される形状に少なくとも１つの第２光学機能面を前記第１光学機能面に対する規定された相対位置に製造する第２加工工程と、工作機械を使用して、支持構造上に及び／又はブランク上に及び／又は別のブランク上に、規定された及び測定可能な光学機能面に対する相対位置を有する少なくとも１つの参照構造を製造する第３加工工程とを備え、３つの上記加工工程は、時間的に連続して又は同時に実行され、これら３つの加工工程が全て完了するまで、支持構造は、工作機械と固定して接続された状態に保たれる。上記３つの加工工程が連続して又は同時に実行されるため、これら加工工程は、時間に関して互いに部分的に重複する又は複数のサブ工程に分割される可能性があり、この場合も連続的に実行されてもよく、ある条件下では同時に実行されてもよい。そして、少なくとも１つの参照構造に対する、支持構造上の前記少なくとも２つの光学機能面の形状及び位置を、測定構造物内で測定し、少なくとも１つの参照構造を基準として正確に規定される所望の形状又は所望の位置からの、光学機能面のずれを決定する。上記３つの加工工程は、ずれが低減されるような態様で変更された工作機械を動作させて、少なくとも１回繰り替えされる。
【０００７】
少なくとも１つの参照構造を形成し、測定を行い、測定を基準としてずれが決定されるため、上記工程を繰り返すことにより、位置の制御を失うことなく、光学機能面の形状誤差を低減することができる。更に別の光学機能面が同じ支持構造上に形成される場合も含めて、両光学機能面の位置は、少なくとも１つの参照構造を基準として決定されるので、光学機能面間の位置関係を制御された状態に維持できる。形状誤差と同時に、上記の態様により、光学機能面同士の相対的な位置の誤差も修正することができ、その結果、光学部品を上記の３段階の最低限の繰り返しで、非常に小さい形状誤差及び位置誤差で製造することができる。通常、上記３工程の一回の実施の後では、ずれは大きいが、上記の測定により大幅に低減させることができる。これは、ずれが、多くの場合、誤差はシステム的なものであり、工作機械の動作を変更しないと仮定した場合、ずれが、加工工程の繰り返しで再び生じるからである。
【０００８】
本明細書で提案される種類の光学装置は、上記の方法により製造された又は製造されてもよい光学部品を備え、したがって、少ない労力及び非常に高い精度で形成されており、また、少なくとも２つの光学機能面が同じ支持構造上に配置されているため、互いの位置関係を調整する必要がなく、ミスアライメントが起こらない。このような光学装置として、例えば、望遠鏡、特に、光路が折り畳まれたミラー型望遠鏡であってもよい。無論、上記した態様で、光路が複数回折り畳まれたその他の光学部品を製造してもよい。
【０００９】
典型的には、光学機能面のうちの少なくとも１つが、金属鏡面のミラーである場合、金属面は上記の態様で良好に機械加工することができる。光学機能面は、何れの場合であっても、例えば、少なくとも部分的に、平面、凹面、凸面又は自由形状であってもよく、本発明の利点は、特に、光学機能面のうちの少なくとも１つが非球面形状に形成される場合に有用であり、正確な形状に加えて、少なくとも１つの更なる光学機能面に対する相対的な位置も、光学部品の光学品質には重要であるからである。
【００１０】
上記の方法を実行するデバイスは、少なくとも２つの光学機能面及び少なくとも１つの参照構造を製造するための工作機械と、工作機械とは別個に設けられる又は一体化されている、光学機能面及び少なくとも１つの参照構造を測定するための測定デバイスとを備え、測定デバイスは、プログラミング技術によって設定され、少なくとも１つの参照構造を基準に規定される所望の形状及び所望の位置と比較した場合の光学機能面の前記ずれを決定される。また、測定デバイスは、プログラミング技術を使用して、決定されたずれを、上記加工工程を更に実行することにより、ずれの大部分を少なくとも補償できるように、工作機械に対する修正された設定値を計算するように設定される。そして、決定されたずれを、工作機械の自由度によって規定される座標系へと変換することが有用である場合がある。本明細書における測定という言葉は、空間的に包含する及び包括する、面の空間座標の評価という意味で使用されている、又は、個々の点又線を特定する場合には、これらの点の空間座標又は最も近接する線上それぞれにおける点の空間座標を評価することを指す。
【００１１】
残りのずれが所定の許容誤差未満となるまで、ずれの決定、及び、光学部品の製造方法で使用される工作機械の動作を変更して上記３つの加工工程を複数回、繰り返して実行することにより、非常に高い精度を達成することができる。
【００１２】
上記のずれを決定する際に、参照構造及び光学機能面を、例えば、接触させることにより、干渉法を使用して、又は、結像光学系を使用して測定してもよい。ある条件下では、例えば、接触による測定の場合には、光学機能面に傷が付いてしまうなどの、ダメージを生じさせてしまう場合がある。そこで、最後の測定の後に、目的の精度が達成されていると確かめられた場合には、工作機械の動作設定を変更せずに、光学機能面が深く配置されるように、少なくとも２つの加工工程をもう一度実行してもよい。
【００１３】
本発明の典型的な実施形態では、条件によっては、別の光学機能面と目に見える境界がない態様で結合されていてもよい光学機能面のうちの少なくとも１つが、支持構造と一体化されて設計される。また、第１光学機能面が形成されるブランク又は更なるブランクについて、第２光学機能面は同じブランクから形成されないことから、別の部材として支持構造上に固定してしてもよい。この場合、上記加工工程のうちの少なくとも１つの完了後又は開始後に、ブランク及び／又は別のブランクは、工作機械に接続された支持構造上にのみ配置されてもよい。この構成は特に、例えば、第１加工工程において工作機械の動作空間に、旋削バイトによって第１光学機能面が製造される時に、第２光学機能面が製造される別のブランクが邪魔になる場合に当てはまる。
【００１４】
上記の加工工程において、光学機能面及び少なくとも１つの参照構造に加えて、工作機械を使用して、１以上の更なる構造を、支持構造及び／又はブランク及び／又は別のブランクの上に製造してもよく、少なくとも１つの参照構造を基準とした所望の形状及び所望の位置からのずれが、同様に測定される。このように、少なくとも１つの更なる構造についても、光学精度で製造される。
【００１５】
更なる構造は、軸受け構造、及び／又は、軸受け接触部となる支持構造、又は、ブランク又は支持構造上の別のブランクを受容する保持構造、であってもよい。このように、少なくとも１つの光学機能面が、取り外し可能に支持構造に接続されている又は支持構造に配置されているブランクに形成される場合であっても、光学機能面を互いに正確に規定された位置関係に配置させることができる。
【００１６】
これに加えて又は替えて、更なる構造又は更なる構造のうちの１つは、支持構造が光学装置に挿入される軸受け接触配置であってもよく、それにより、光学装置内の支持構造の位置が、少なくとも１つの自由度について、望ましくは、全並進及び回転自由度について、固定される。このように、光学装置のその他の光学部品を基準とした、２つの光学機能面を含む部品の複雑な配置調整を行う必要がなくなる。したがって、本明細書に提案される種類の光学装置の実施形態によれば、少なくとも１つの軸受け接触配置によって光学装置内における光学部品の位置及び向きが固定され、光学配置の別の構造についても光学精度で製造され、光学部品は、光学装置の支持部に配置される。
【００１７】
本発明の望ましい実施形態では、少なくとも１つの運動学的分離構造が、支持構造内及び／又は上に形成され、運動学的分離構造は、支持構造と一体化するように設計されていてもよい。運動学的分離構造は、例えば、少なくとも１つの硬質の結合及び／又は少なくとも１つのウェブ及び／又は少なくとも１つの膜を有するように設計される、及び／又は、枠体として設計されていてもよく、また、支持構造の本体と軸受け接触面との間に設けられていてもよい。そして、支持構造は、運動額的分離構造を使用して、光学装置の支持部に配置されるように構築される、又は、機械的な応力によって光学面が変形するのを防ぐために、少なくとも固定された寸法関係に構築される。
【００１８】
典型的には、工作機械は、上記の加工工程のうちの少なくとも１つを実行する旋削バイトを備える。好ましくは、旋削バイト又は旋盤は、切断要素として、ダイヤモンドを有し、このような旋削バイトは、金属ブランクから光学機能面を製造するのに特に適している。如何なる場合においても、２つの光学機能面又は光学機能面のうちの少なくとも２つは、共通回転軸を有してもよく、これら光学機能面を製造する時に、工作機械において支持構造がこの回転軸周りに回転する。
【００１９】
旋削バイトを使用において、上記の加工工程を開始する前に、旋削バイトを、例えば、ディスク状に設計されているホルダと、例えばディスク上に固定して接続して、方法が完了するまで、ホルダに保持してもよい。光学機能面を回転させるべく、及び、場合によってその他の加工工程を実行するべく、このホルダは、工作機械のシャフトに回転可能に配置されてもよい。光学機能面及び参照構造が測定される測定デバイスが、空間的に工作機械とは別に設けられている場合には、測定時には、支持構造がホルダと共に、工作機械とは別個に配置されて、加工工程を繰り返す時には、再び工作機械に締結されてもよい。
【００２０】
本明細書で説明される種類の光学部品で使用される想定される構造及び配置の全てが、回転によって製造されるわけではないため、ある状況下では、上記の加工工程の１以上は、工作機械の更なる部品として設けられ好ましくは切断要素としてダイヤモンドを有する切削ツールによって実行されてもよい。
【００２１】
提案される方法は、上記の加工工程が工作機械のツールによって実行される場合、より製造が単純化し、上記したのと同様な加工段階により、工作機械の異なるツールの相対的な位置の制御されない僅かなずれによって生じる誤差を防ぐことできる。
【００２２】
方法の典型的な設計では、工作機械は、少なくとも１つの旋削バイト及び少なくとも１つの切削ツールを備え、光学機能面及び参照構造を構築するための加工工程は、少なくとも１つの旋削バイト及び少なくとも１つの切削ツールによって部分的に実行され、旋削バイト及び切削ツールはそれぞれ、切断要素としてダイヤモンドを有する。このように構成することにより、旋削バイト及び切削ツールを使用する機械加工が、こていされたツール配置で、連続して又は交互に実行される。異なるツール、特に、旋削バイト及び切削ツールを使用した機械加工では、これら異なるツールは、既知の、望ましくは互いに固定された位置関係に配置されるべきである。しかしながら、１つのツールと別のツールとの相対位置が正確に既知である場合には、工作機械のフライス盤のヘッド部分を、旋削バイトの切断要素に対して可動に設計することも考えられる。
【００２３】
少なくとも１つの参照構造を基準とした機能面の測定を可能とするために、参照構造は、少なくとも１つの点及び／又は１つの線及び／又は１つの面を規定するように設計される。このため、参照構造は、例えば、少なくとも１つの球状凹面及び／又は少なくとも１つの円筒形状面を含む又は構成する、又は、十字状に設計される。適切で正確な測定を可能とするべく、少なくとも１つの参照構造は、光学面品質を有するように形成されてもよい。このようにすることで、少なくとも１つの光学機能面と共に、干渉法を使用して測定を行うことができる。
【００２４】
参照構造を基準とした光学機能面の少なくとも１つの形状及び／又は位置が、１つ、２つ又は全ての空間的方向及び／又は１つ以上又は全ての空間軸に対して、参照構造を使用して決定されるように参照構造が設計されている。ここで、２つ、３つ又は最大６つの参照構造が形成されてもよい。
【００２５】
参照構造を基準として規定された所望の形状及び書状の位置からの光学機能面のずれを決定するために、例えば、最初に、参照構造を測定し、そして、参照構造との関係で光学機能面を測定してもよい。このように参照構造を使用して、加工工程の間の工作機械に関して座標系原点の位置が厳密に決定され、光学機能面を座標原点との関係で測定することができ、測定された光学機能面は、この座標原点を有する座標系において規定される。工作機械が、旋盤又は旋削バイトである場合には、座標原点は、例えば、回転軸上の１点、及び、望ましくは、回転軸が光学機能面の一面を貫く点に設定されてもよい。
【００２６】
以下に、図１から図７を参照して、本発明の一実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る光学装置の一例としての望遠鏡の断面図である。
【図２】図１の望遠鏡の構成要素である光学部品を示した斜視図である。
【図３】図２の光学部品の構成部分を示した図である。
【図４】光学部品が、図１の望遠鏡の支持部と接続する位置における図２の光学部品の詳細を示した断面図である。
【図５】図２の光学部品の光学機能面を製造するのに使用される工作機械の斜視図である。
【図６】光学機能面を測定する測定デバイスの斜視図である。
【図７】測定デバイスによって実行される測定及び工作機械によって実行される加工段階の反復により、どのように光学部品の光学品質が改善されるかを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１に示す望遠鏡１は、光路が、複数回折り畳まれたミラー型望遠鏡である。望遠鏡１は、骨格部として設計されている支持部２と、支持部に設けられた凹面主鏡３、及び、支持部の反対側の端部に固定された光学部品４を備える。
【００２９】
図２に示される光学部品４は、第１光学機能面５、及び、これに隣接して配置される第２機能面６を有する。第２機能面６は、望遠鏡１の副鏡を構成する非球面の凸面鏡であり、第１光学機能面５は、非球面の凹面鏡であり、望遠鏡１に入射した光は、まず主鏡３で反射された後、機能面６で反射され、更に平面折り畳みミラー７で反射された後に、望遠鏡１に入射する。そして、実像が、光路の第１光学機能面５の後ろの投影面８に生じる。２つの光学機能面５及び６は、共通の金属支持構造９上で、互いに固定された位置関係に配置される。本実施形態例では、第１光学機能面５は、支持構造９と一体化して形成されており、第２光学機能面６は、３つの固定点１０で支持構造９と接続された別の金属担持部の一面から形成されている。本実施形態の変形例として、第１光学機能面５が個別に支持部を有し、支持構造９上に配置されてもよい。それぞれ金属鏡面を有する光学機能面５及び６は、以下で説明する光学部品４の変形例として、異なる形状を有していてもよい。具体的には、機能面５又は６のうちの１つが、平面鏡で構成されていてもよい。
【００３０】
支持構造９は、光学的品質で製造された複数の軸受け接触面１１を含み、望遠鏡に光学部品４が接触面１１上に取り付けられると、光学部品４が支持部２の特定の位置に配置される。望遠鏡１内における光学部品４の位置及び向きは、曖昧さを残すことなく高精度で決められており、それにより、光学部品４が取り付けられた後は、更なる調整が不要となっている。光学部品４が支持部２に接続される時に歪んでしまうのを防ぐために、運動学的分離構造（kinematic decoupling）１２が、３つの軸受け接触面１１の周囲に設けられており、支持構造９は、軸受け接触面において支持部２と固定される態様で接続される。そして、図２に示すように、本実施形態例では、約１．５ｍｍという非常に小さな直径の球状の凹面、すなわち、小さな窪み又は刻み目である４つの参照構造１３が設けられており、これらの参照構造は、第１光学機能面５の質の高い領域の外側に配置され、本実施形態例では、四角形に配置されて、それぞれの小さな窪みの最も深い点及び中心点を画定している。
【００３１】
図３には、第２光学機能面６の支持構造を外した、第１光学機能面５を有する支持構造９が示されている。同じ構造には、同じ参照番号が付与されている。
【００３２】
図４の断面図には、図２の断面図で示された光学部品４が詳細に示されている。この図面では、運動学的分離構造１２がより詳細に示されており、支持構造９と一体化して形成され、膜状に設計されている様子が分かる。この膜が、軸受け面１１の１つと支持構造９の本体とを接続している。更に、図４には、３つの軸固定締結要素１４のうちの１つが示されており、この締結要素は、光学部品４を正確に位置させて締結させるための外側参照部として機能し、支持部２から取り外し可能な構成要素である。
【００３３】
光学部品４を製造するデバイスは、機能面５及び６並びに参照構造１３を製造するための図５に示される工作機械１５、及び、本実施形態例では、工作機械とは別個に配置されて、機能面５及び６及び図６に示される参照構造１３の測定を行う測定デバイス１６を備える。回転ディスクとして設計されているホルダ１７が、工作機械１５の動的に駆動されるシャフト上に着座されており、これにより回転動作に設定されてもよい。そしてこのホルダを使用して、工作機械１５は、旋削バイト（turning tool）１８及び切削ツール（milling tool）１９を有する。切断手段としてダイヤモンド２０を有する旋削バイト１８は、ホルダ１７に向かって移動及び離間してもよく、特に、高速又は高周波数の処理が必要となる場合にはサーボモーターを使用して移動させると共に、工作機械１５の回転軸の周りに半径方向に移動させてもよい。切削ツール１９は、あらゆる方向にモーターによって移動可能なフライスヘッド２１を有し、フライスヘッドは、切断手段２２としてダイヤモンドを有する。フライスヘッド２１及び旋削バイト１８を、ホルダ１７に対して、サブマイクロメートルの範囲の精度で制御された態様で移動させてもよく、この場合、フライスヘッドと旋削バイトとは、それぞれ制御可能な位置に配置され、望ましくは互いに固定された位置関係に配置される。本発明の別の実施形態では、測定デバイス１６が、工作機械１５と一体化されていてもよい。本実施形態では、機能面５及び６及び参照構造１３の接触測定を行うように設計されており、そのために、測定装置は、測定が行われる面上に制御された態様で移動される測定ピン２３を有し、測定ピンは、測定する面を走査する。図６には示されていないが、測定デバイス１６のコンピュータユニットがプログラミング技術によって設定され、参照構造１３を基準に規定される所望の形状及び所望の位置に対する、光学機能面５及び６のずれを決定する。また、コンピュータユニットは、求められたずれを、工作機械の自由度によって規定される座標系へと変換し、工作機械１５による光学部品４の更なる加工によって大部分のずれを少なくとも補償できるような補償量を決定することにより、工作機械１５に対する修正設定値を計算する。
【００３４】
以下、工作機械１５及び測定デバイス１６を使用して、どのように光学部品４が製造されるかを説明する。
【００３５】
初めに、支持構造９がホルダ１７に軽く固定されるが、この固定は、製造方法の最終段階で取り外される。
【００３６】
そして、４つの異なる加工段階が工作機械１５によって実行されるが、これら製造段階が完了するまで、支持構造９を有するホルダ１７は、工作機械１５のシャフトに締結されたままで、固定された態様で工作機械と接続された状態を保つ。第１加工段階では、第１光学機能面５が、支持構造９から形成されているブランク（blank）から、旋削バイト１８を使用して製造され、工作機械１５を作動させることによって規定される形状に機能面が形成される。別のブランクとして、第２光学機能面６の支持部が、支持構造９に配置され、固定点１０において、支持構造と支持部が結合される。そして、第２加工段階において、旋削バイト１８を使用して第２光学機能面６がブランクから製造され、第２光学機能面６は、工作機械１５を作動させることによって規定される形状で、第１機能面５に対する相対的な所定位置に製造される。第２加工段階の前に実行されてもよい第３加工段階では、切削ツール１９を使用して、参照構造１３が支持構造９から形成されるブランク上に、光学機能面５及び６を基準として規定され測定可能な位置に製造される。そして、更なる加工段階では、切削ツール１９を使用して、状況によっては旋削バイト１８も使用して、軸受け接触面１１が形成され、３つの軸受け接触面が運動学的分離構造１２の膜上に位置する。
【００３７】
膜に替えて又は加えて、ウェブ（web）又は別の硬質の結合を有するように、又は、枠体（framework）として運動学的分離構造１２を設計することもできる。光学機能面５及び６は、製造時には、旋削バイト１８の工作機械１５の軸との共通軸周りに回転される。上記の４つの加工工程は、異なる順番で実行してもよく、条件によっては、部分的に同時に行ってもよい。上記の加工工程を使用して、支持構造９又は更なるブランクの上にその他の構造を更に製造してもよく、例えば、光学グリッド、又は、第２光学機能面６の支持部に対する軸受け接触構造を固定点１０の周囲に形成してもよい。また、第１光学機能面を形成するためのブランクは、支持構造９自体から形成されなくてもよく、同様に、第２光学機能面６も支持構造から形成されなくてもよく、替わりに、好適な態様で支持構造９上に結合する別個の部材から形成されてもよい。本発明の別の実施形態、特に、光学部品４の異なる配置の実施形態では、上記の加工工程を、全ての加工工程で使用される工作機械１５のツールを使用して実行してもよく、例えば、切削ツール１９のみを使用して実行してもよい。本実施形態例で提供されている４つの参照構造１３の替わりに、例えば、線状又は面状といった異なる形状の参照構造を設けてもよい。このような参照構造を、例えば、円筒形状の面から形成することができる。参照構造１３の形状に応じて、異なる数の参照構造を設けてもよく、ある状況下では、上述した第３加工工程において、２つ、３つ又は、例えば、最大６つまでの参照構造１３を製造してもよい。何れの場合であっても、第２光学機能面６の支持部上に別の形態で又は上記の実施形態に加えて設けられる参照構造１３は、光学機能面５及び６の形状、位置及び向きが厳密に規定されるような座標系にわたって設けられるように設計される。
【００３８】
工作機械１５を使用して実行される上述した加工工程の後、光学機能面５及び６の担持構造９上の形状及び位置が、参照構造１３を基準として測定デバイス１６を使用して測定され、参照構造１３を基準として正確に規定されている所望の形状及び所望の位置からの、製造された光学機能面５及び６のずれが決定される。このために、支持構造９を有するホルダ１７が、工作機械１５のシャフトから取り外され、図６に示すように測定デバイス１６に配置される。参照構造１３及び光学機能面５及び６の測定では、軸受け接触面１１及び場合によっては更なる構造の、参照構造を基準とした所望の形状及び所望の位置からのずれが測定される。本実施形態例では、接触により測定が有効となり、測定デバイス１６の測定ピン２３が、測定される面の上に誘導される。その他の実施形態では、上記の実施形態に加えて又は替えて、上記のずれを測定するのに、参照構造１３及び光学機能面５及び６を干渉法により測定してもよい。これは、光学機能面５及び６だけではなく、光学面品質で製造された軸受け面１１及び参照構造１３を使用することにより、可能となる。
【００３９】
所望の形状及び所望の位置からの光学機能面５及び６のずれを決定するために、先ず、測定デバイス１６により参照構造１３が測定されて、これら参照構造の位置が決定され、これら参照構造１３との関係で光学機能面５及び６が測定される。測定された参照構造１３を使用して、先ず初めに、座標系の原点の位置が決定されて、本実施形態例では、この座標系の原点は、工作機械１５の回転軸上に位置するように選択され、より正確には、この回転軸が光学部品４の面を通過する。本実施形態例における回転点及び座標系原点は、４つの参照構造１３のうちの２つの間に正確に位置し、その他の２つの参照構造１３は、上述の回転点及び座標系原点によって規定される中間点を有する大きな円上に位置するといったように、単純な形態で位置していてもよい。測定された光学機能面５及び６、並びに、軸受け接触面１１の座標が、この座標系原点を有する座標系において規定される。参照構造は、工作機械１５を使用して製造されていることから、この座標系に関して、ホルダ１７が再び工作機械に接続される場合には、座標系は、工作機械１５を基準とした規定された位置を有する。このように、さしあたって、工作機械１５の機械座標系が光学部品において求められ、上記した機能面５及び６の形状及び位置におけるずれを、参照構造１３だけでなく工作機械１５を基準として求めることができる。このことから、光学機能面５及び６の位置及び形状、特に、相対的な位置に関する誤差を、以下に説明する測定により大幅に低減させることができる。好ましくは、所望の形状及び所望の位置からのずれが決定される上記の座標系は、その座標軸が、可動旋削バイト１８及びフライスヘッド１９に対応する回転軸に対応するように、向けられる。
【００４０】
上述の加工工程が一度目に実行された後、光学機能面５及び６、及び、軸受け接触面１１の一度目の測定が実行され、その後に、少なくとももう一度上述の４つの加工工程が繰り返され、測定によって求められたずれが低減されるような態様で、工作機械１５が動作する。測定デバイス１６によるずれの計算、及び、測定されたずれに応じて工作機械１５の動作が変更されて次いで実行される加工工程は、最終的に残るずれが、反復して加工することによりサブミクロンの範囲の規定された許容誤差以下となるまで、複数回繰り返されてもよい。
【００４１】
図７に示すように、加工工程を数回繰り返すことにより、光学機能面５及び６の形状及び互いの相対位置に関して、非常に高い精度を達成することができる。上述の加工工程を１度実行した後に測定された理想的な面に対する光学機能面５及び６のずれΔｚが図中のａで示されており、座標系原点を通過する光学機能面５及び６断面に沿った結果が示されている。工作機械１５の動作条件を変更して実行された加工工程を２度目に実施した後で測定された２度目の測定結果が、同図のｂで示されている。この結果の例では、加工工程の２度目の実行で適用される動作条件の修正が、大きすぎたことが分かったため、動作条件を再び僅かに変更する。図７にｃで示されているずれΔｚの値は、加工工程を３度目に実行した後の結果であり、ずれは、サブミクロンの範囲に完全に納まっている。
【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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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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