(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学部材の支持構造において、３つの第１部材を連結し第１光学部材を支持する第１三角形トラスと、前記第１三角形トラスとは位相が１８０°ずれて平行に配置され、３つの第２部材を連結し第２光学部材を支持する第２三角形トラスと、前記第１三角形トラスの各角部から、前記第１三角形トラスの各角部に対して最も近い前記第２三角形トラスの辺を含んで構成される２つの角部のうち一方に連結される第３部材と他方に連結される第４部材とを有し、前記第１、第３および第４部材によって構成される第３三角形トラスと、前記第２、第３および第４部材によって構成される第４三角形トラスと、を有し、温度変化が生じても前記第１三角形トラスの重心と前記第２三角形トラスの重心とを結ぶ距離を一定に維持するように前記第１、第２、第３、第４部材の長さおよび線膨張係数が設定されていることを特徴とする光学部材の支持構造。
【請求項２】
前記第３および第４部材はそれぞれ長さが等しく、前記第１部材の線膨張係数が他の部材の線膨張係数と異なり、前記第２、第３および第４部材の線膨張係数が等しいことを特徴とする請求項１に記載の光学部材の支持構造。
【請求項３】
光学部材の支持構造において、３つの第１部材を連結し第１光学部材を支持する第１三角形トラスと、前記第１三角形トラスとは位相が１８０°ずれて平行に配置され、３つの第２部材を連結し第２光学部材を支持する第２三角形トラスと、前記第１三角形トラスの各角部から、前記第１三角形トラスの各角部に対して最も近い前記第２三角形トラスの辺を含んで構成される２つの角部のうち一方に連結される第３部材と他方に連結される第４部材とを有し、前記第１、第３および第４部材によって構成される第３三角形トラスと、前記第２、第３および第４部材によって構成される第４三角形トラスと、を有し、温度変化による前記光学部材の曲率変化による焦点位置の変動を、前記温度変化に伴う前記第１、第２、第３、第４部材の寸法変化により補正するように、前記第１、第２、第３、第４部材の長さおよび線膨張係数が設定されていることを特徴とする光学部材の支持構造。
【請求項４】
前記第３および第４部材はそれぞれ長さが等しく、前記第１、第２、第３、第４部材のうち前記第２または第３部材の線膨張係数が他の部材の線膨張係数と異なり、残りの部材の線膨張係数が等しいことを特徴とする請求項３に記載の光学部材の支持構造。
【請求項５】
前記第１三角形トラスは主鏡である前記第１光学部材を支持し、前記第２三角形トラスは副鏡である前記第２光学部材を支持し、前記第１光学部材の反射面と前記第２光学部材の反射面とが対向するように配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学部材の支持構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学部材の支持構造に関するもので、特に熱的な環境が厳しい条件下でも安定した光学性能を発揮することが可能な光学部材の支持構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、反射望遠鏡等の光学系においては、主鏡と副鏡を円筒状または三脚状の構造部材を介して保持し、光学部材間の光学距離を所望の値に保持する支持構造が取られている。従来の支持構造は単一の低膨張材で光学系を支持するシンプルな構造のものが殆どである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、人工衛星等に搭載される観測機器や光通信用光アンテナにおいては環境に対する要求が通常の場合より厳しく、使用される温度環境が著しく変化する。従って、従来の構造体により光学系を構成すると、前述の温度変化に伴って主鏡と副鏡の光学距離が変化し、長時間にわたって光学性能を維持することが困難であった。
【０００４】
また上述の温度変化に伴って光学部材その物の曲率変化が生じ、焦点位置の補正が必要となる場合、主鏡と副鏡の光学距離を前述の温度変化に応じて変化させると、焦点位置の補正が可能となる。しかしながら、単一材料の構成では光学距離の変化を適正にするには材質の選択による制約が大きく、光学性能の維持に適する補正量を得ることが困難であった。
【０００５】
本発明では、光学系の光学部材の支持構造を軽量、簡素化し、且つ主鏡と副鏡の光学距離を温度変化に関わらず一定に維持することを目的としている。
【０００６】
また、温度変化が光学部材その物の曲率の変化を伴う場合、全系の焦点移動を支持構造の構成により主鏡と副鏡の光学距離の変化量を調整して補正し、安定した光学性能を維持することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の光学部材の支持構造は、光学部材の支持構造において、３つの第１部材を連結し第１光学部材を支持する第１三角形トラスと、前記第１三角形トラスとは位相が１８０°ずれて平行に配置され、３つの第２部材を連結し第２光学部材を支持する第２三角形トラスと、前記第１三角形トラスの各角部から、前記第１三角形トラスの各角部に対して最も近い前記第２三角形トラスの辺を含んで構成される２つの角部のうち一方に連結される第３部材と他方に連結される第４部材とを有し、前記第１、第３および第４部材によって構成される第３三角形トラスと、前記第２、第３および第４部材によって構成される第４三角形トラスと、を有し、温度変化が生じても前記第１三角形トラスの重心と前記第２三角形トラスの重心とを結ぶ距離を一定に維持するように前記第１、第２、第３、第４部材の長さおよび線膨張係数が設定されていることを特徴としている。
請求項２の発明は請求項１の発明において、前記第３および第４部材はそれぞれ長さが等しく、前記第１部材の線膨張係数が他の部材の線膨張係数と異なり、前記第２、第３および第４部材の線膨張係数が等しいことを特徴としている。
【０００８】
請求項３の発明の光学部材の支持構造は、
光学部材の支持構造において、
３つの第１部材を連結し第１光学部材を支持する第１三角形トラスと、
前記第１三角形トラスとは位相が１８０°ずれて平行に配置され、３つの第２部材を連結し第２光学部材を支持する第２三角形トラスと、
前記第１三角形トラスの各角部から、前記第１三角形トラスの各角部に対して最も近い前記第２三角形トラスの辺を含んで構成される２つの角部のうち一方に連結される第３部材と他方に連結される第４部材とを有し、前記第１、第３および第４部材によって構成される第３三角形トラスと、
前記第２、第３および第４部材によって構成される第４三角形トラスと、を有し、
温度変化による前記光学部材の曲率変化による焦点位置の変動を、前記温度変化に伴う前記第１、第２、第３、第４部材の寸法変化により補正するように、前記第１、第２、第３、第４部材の長さおよび線膨張係数が設定されていることを特徴としている。
請求項４の発明は請求項３の発明において、
前記第３および第４部材はそれぞれ長さが等しく、
前記第１、第２、第３、第４部材のうち前記第２または第３部材の線膨張係数が他の部材の線膨張係数と異なり、残りの部材の線膨張係数が等しいことを特徴としている。
請求項５の発明は請求項１乃至４のいずれか１項の発明において、
前記第１三角形トラスは主鏡である前記第１光学部材を支持し、
前記第２三角形トラスは副鏡である前記第２光学部材を支持し、
前記第１光学部材の反射面と前記第２光学部材の反射面とが対向するように配置されていることを特徴としている。
【０００９】
また、温度変化により光学部材に曲率変化が生じる場合は、材質の長さ及び線膨張係数の組合せを変えることにより主鏡と副鏡の光学距離を変化させ、温度変化に伴う焦点位置のずれを補正することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の実施形態1を示す図面である。同図において1は光学部材である主鏡、2は光学部材である副鏡である。主鏡1と副鏡2は、主鏡1の反射面と副鏡2の反射面とが対向するように配置されている。3は線膨張係数αa、長さaの主鏡の支持部材、4は線膨張係数αb、長さbの支持部材、5は線膨張係数αc、長さcの支持部材、６は線膨張係数αd、長さdの副鏡の支持部材である。本実施形態において部材4の長さbと部材5の長さcは等しく
c＝b            (1)
であり、部材4、部材5、部材6の線膨張係数は等しく
αb＝αc＝αd     (2)
で、部材3の線膨張係数αaと異なっていることが特徴である。従って構造体を形成する三角形トラスのうち少なくとも一つの三角形では、該三角形を構成する3部材の少なくとも一つが異なる線膨張係数の材質で構成されている。本実施形態では主鏡を支持する部材の線膨張係数のみが他の部材と異なっていることが特徴である。また主鏡、副鏡を支持する構造は部材3、6とそれぞれ同一材質で作られている。
【００１１】
また、本発明の特徴である少なくとも一つが異なる線膨張係数の材質で構成されている三角形が複数個ある場合、該複数個の三角形の異なる部材の使い方は全系の対称性を崩さないように配置される。
【００１２】
本実施形態において、主鏡（第１光学部材）1は3本の部材（第１部材）3により支持され、副鏡（第２光学部材）2は3本の部材（第２部材）6により支持されている。主鏡1を支持する3本の部材3により形成される正三角形（第１三角形トラス）の平面と、副鏡2を支持する3本の部材6により形成される正三角形（第２三角形トラス）の平面は互いに平行で、それぞれの正三角形の重心を通る直線に垂直である。2つの正三角形（第１、第２三角形トラス）の頂点を結ぶ部材（第３部材）4と部材（第４部材）5により、立体的な骨組み構造が構成される。
第１三角形トラスの各角部Ｃから最も近い第２三角形トラスの辺を含んで構成される２つの角部のうち一方連結される部材４と他方に連結される部材５と部材６で第４三角形トラスを形成している。また部材３、部材４、部材５で第３三角形トラスを形成している。即ち、第１、第３、第４部材３、４、５によって形成されるのが第３三角形トラスを形成し、第２、第３、第４部材６、４、５によって形成されるのを第４三角形トラスを形成している。
【００１３】
上から観察すると部材3と部材6によって形成される2つの正三角形第１、第２三角形トラス）は重心が一致するとともに、大きさは異なるが相対角度関係が180度回転した位相関係を持つよう配置されている。一つの正三角形（第２三角形トラス）の頂点Ａは他の正三角形（第１三角形トラス）の近い方の2つの頂点Ｂ、Ｃと部材4、5により結合されている。
【００１４】
各部材の結合部は機構的、もしくは結合部にバネ性を持たせ、環境温度の変化による微小変形に対し回転方向に自由度を持たせている。
【００１５】
図1において部材3、4、５によって形成される頂点A、B、Cの三角形平面（第３三角形トラス）を1組の力学的平面とする。図2は該力学的平面を示したもので、三角形の高さhについては以下の式が成立する。
【００１６】
h ＝ (b2−a2/4 )1/2                                     (3)
図3は本実施形態の骨組み構造の側面図を示したものである。一点鎖線は主鏡1を支持する部材3により形成される正三角形の平面と副鏡2を支持する部材6により形成される正三角形平面の重心を通る直線で、Hが光学的要求に対し最も重要な光学距離を示すパラメータである。簡単のため以降Hを光学距離と呼ぶことにする。
【００１７】
頂点A、B、Cにより形成される力学的平面と主鏡1を支持する正三角形の平面および副鏡２を支持する正三角形の平面との配置から、以下の関係式が成り立つ。
【００１８】
e ＝ 31/2 ( a−2d )/6                                   (4)
H＝ ( h2−e2)1/2                                        (5)
これより
H ＝ ( ( 3b2−a2−d2＋ad ) /3 )1/2                        (6)
温度変化Tが生じると、各部材は温度変化にともない寸法変化を生じる。寸法変化後の部材3の長さをa'、部材4の長さをb'、部材5の長さをc'、部材6の長さをd'とすると
a'＝ a ( 1＋αaT )                                   (7)
b'＝ b ( 1＋αbT )                                   (8)
c'＝ b' ＝ b ( 1＋αcT )                              (9)
d'＝ d ( 1＋αdT )                                   (10)
となる。従って各部材の寸法変化後の光学距離H'は次のようになる。
【００１９】
H'＝ ( ( 3b'2−a'2−d'2＋a'd' ) /3 )1/2                    (11)
(11)式でH＝H'となるように各部材の長さ及び線膨張係数を選択すると、温度変化が生じても光学距離Hが変化しない条件が導かれる。変化しない条件は
3 ( b2−b'2)−( a2−a'2)−( d2−d'2)＋( ad−a'd' )＝ 0    (12)
例えば部材3にチタン合金（線膨張係数 8.80E−6［/K］)、部材4、5、6にインバー合金（線膨張係数 1.20E−6［/K］)を使用し、部材3の長さを356.77mm、部材4及び5の長さを536.02mm、部材6の長さを50.00mmとすると、温度変化＋10Kに対する光学距離Hの変化量は＋2μmで、温度変化に関わらず光学距離Hをほぼ一定に保つことができることがわかる。
【００２０】
各部材の材質及び寸法には様々な組み合せが考えられるが、(12)式をほぼ満たす関係に導けば、環境変化に関わらず光学距離Ｈを一定に維持することができる。
【００２１】
また温度の上昇に伴い光学部材その物の曲率が変化する場合は、光学距離を所定の値変化させて、光学系の焦点位置の変化を補正できる。
【００２２】
例えば上述の長さの構成で部材3をより大きな線膨張係数をもつ材質に変更すると、温度の上昇に伴い光学距離が短くなる方向の変化を生じさせることができる。部材3にアルミ合金（線膨張係数 22.2E−6［/K］)を使用し、部材4、5、6はインバー合金（線膨張係数 1.20E−6［/K］)のままとすると、温度変化＋10Kに対する光学距離Hの変化量は−9μmとなる。
【００２３】
温度上昇に伴う光学部材の曲率変化による焦点位置の補正を光学距離を短くして対応する場合に本構成は適用できる。
【００２４】
逆に上述の長さの構成で部材3をより小さな線膨張係数をもつ材質に変更すると、温度の上昇に伴い光学距離が長くなる方向の変化を生じさせることができる。即ち部材3にCFRP（線膨張係数 2.30E−6［/K］)を使用し、部材4、5、6をインバー合金（線膨張係数 1.20E−6［/K］)のままとすると、温度変化＋10Kに対する光学距離Hの変化量は＋7μmとなる。
【００２５】
温度上昇に伴う光学部材の曲率変化による焦点位置の補正を光学距離を長くしたい場合に本構成は適用できる。
【００２６】
以上示したように、光学部材の支持構造を構成する部材の材質及び寸法を組合せて光学距離の変化を最適化することにより、環境温度の変化に伴う光学性能変化が補正され、光学系を大幅に安定化することが可能となった。
【００２７】
また、本発明の光学部材の支持構造は骨組み構造となっているので、軽量且つ簡素な構造となっていることも特徴である。
【００２８】
本発明の実施形態2は実施形態1と同じ構造で部材4の長さbと部材5の長さcは等しく
c＝b                                                (13)
であり、部材3、部材5、部材6の線膨張係数は等しく
αa＝αc＝αd                                       (14)
で、部材4の線膨張係数αbと異なっていることが特徴である。従って実施形態2でも構造体を形成する三角形トラスのうち少なくとも一つの三角形では、該三角形を構成する3部材の少なくとも一つが異なる線膨張係数の材質で構成されている。本実施形態では主鏡と副鏡を支持する部材を結ぶ2種類の部材のうちの一方の線膨張係数のみが他の部材と異なっていることが特徴である。
【００２９】
温度変化Tが生じると、各部材は温度変化にともない寸法変化を生じる。寸法変化後の部材3の長さをa'、部材4の長さをb'、部材5の長さをc'、部材6の長さをd'とすると
a'＝ a ( 1＋αaT ) (15)
b'＝ b ( 1＋αbT ) (16)
c'＝ c ( 1＋αcT ) (17)
d'＝ d ( 1＋αdT ) (18)
となる。温度変化Tによる寸法変化後のhをh'とすると、h'は
h'＝ 2 ( s' ( s'−a') ( s'−b') ( s'−c') )1/2/ a'     (19)
ここでs'は
s'＝ ( a'＋b'＋c') /2                                   (20)
である。
【００３０】
図4は部材3、4、5によって形成される頂点A、B、Cの力学的平面が温度変化Tを受けて寸法変化した後の状態を示す。図4に示す様に頂点Aは元の位置から水平方向にuだけ移動する。uは
u ＝ ( 2a'2−b'2＋c'2) / (2a)                             (21)
である。
【００３１】
図5は温度変化Tを受けて寸法変化した後の骨組構造の上面図である。副鏡2を支持する部材6により形成される平面は主鏡1を支持する部材により形成される平面に対し光軸回りに回転する。なお、光軸と垂直方向のずれを持たずに回転成分のみになるのは、部材3、4、5という異なる線膨張係数の材質で構成されている同一形状の複数個の三角形の部材の使い方が、全系としての対称性を崩さないように組み合わされて配置されている結果である。
【００３２】
温度変化Tによる寸法変化後、副鏡2を支持する3本の部材6により形成される正三角形の外接円の半径Rは
R ＝ 31/2d' /3                                        (22)
である。
【００３３】
図6は温度変化Tを受けて寸法変化した後の骨組構造の側面図である。図6におけるe'は次の式で与えられる。
【００３４】
e'＝ 31/2 a' /6 − ( R2−u2 )1/2                           (23)
以上より、温度変化Tによる寸法変化後の光学距離H'は
H'＝ ( h'2−e'2 )                                      (24)
例えば部材3、5、6にインバー合金（線膨張係数 1.20E−6［/K］)、部材4にCFPR（線膨張係数 2.30E−6［/K］)を使用し、実施形態1と同じく部材3の長さを356.77mm、部材4及び5の長さを536.02mm、部材6の長さを50.00mmとすると、温度変化＋10Kに対する光学距離Hの変化量は＋89μmとなる。
【００３５】
本実施形態は温度の上昇に伴い光学部材その物の曲率が変化し、光学距離を長くなるように変化させて光学系の焦点位置の変化を補正する場合に適用できる。従来のように光学系の支持部材を単一材質のみで構成した場合は該単一材質の選択だけでは補正量が大きすぎたり、小さすぎたりして適正な系の構成ができないことがある。しかしながら本実施形態のように異なる線膨張係数を持つ材質を組み合わせることで、光学距離の補正量を調整することができる。
【００３６】
また、本実施形態で温度変化に伴い支持構造が変化すると、主鏡1に対し副鏡2が回転するが、カセグレン式光学系の様に光軸に対し軸対称な光学系では、該回転成分は光学性能に影響を与えない。
【００３７】
本発明の実施形態3も実施形態1と同じ構造で部材4の長さbと部材5の長さcは等しく
c＝b                                                (25)
であり、部材3、部材4、部材5の線膨張係数は等しく
αa＝αb＝αc                                       (26)
で、部材6の線膨張係数αdと異なっていることが特徴である。従って実施形態3でも構造体を形成する三角形トラスのうち少なくとも一つの三角形では、該三角形を構成する3部材の少なくとも一つが異なる線膨張係数の材質で構成されている。本実施形態では副鏡を支持する部材の線膨張係数のみが他の部材と異なっていることが特徴である。
【００３８】
温度変化Tが生じると、各部材は温度変化にともない寸法変化を生じる。寸法変化後の部材3の長さをa'、部材4の長さをb'、部材5の長さをc'、部材6の長さをd'とすると
a'＝ a ( 1＋αaT ) (27)
b'＝ b ( 1＋αbT ) (28)
c'＝ c ( 1＋αcT ) (29)
d'＝ d ( 1＋αdT ) (30)
となる。温度変化Tによる寸法変化後のhをh'とすると、h'は次のようになる。
【００３９】
h'＝  ( b'2−a'2 /4 )1/2                                  (31)
図3において温度変化Tを受けて寸法変化した後のeの値をe'とすると、e'は次の式で与えられる。
【００４０】
e'＝ 31/2 ( a'−2d' ) /6                                (32)
以上より、温度変化Tによる寸法変化後の光学距離H'は
H'＝ ( h'2−e'2 )                                      (33)
例えば部材3、4、5にインバー合金（線膨張係数 1.20E−6［/K］)、部材6にCFPR（線膨張係数 2.30E−6［/K］)を使用し、実施形態1と同じく部材3の長さを356.77mm、部材4及び5の長さを536.02mm、部材6の長さを50.00mmとすると、温度変化＋10Kに対する光学距離Hの変化量は＋61μmとなる。
【００４１】
本実施形態は温度の上昇に伴い光学部材その物の曲率が変化し、光学距離を長くなるように変化させて光学系の焦点位置の変化を補正する場合に適用できる。従来のように光学系の支持部材を単一材質のみで構成した場合は該材質の選択だけでは補正量が大きすぎたり、小さすぎたりして適正な補正を実現できないことがある。しかしながら本実施形態のように異なる線膨張係数を持つ材質を組み合わせることで、光学距離の補正量を最適化することができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光学部材の支持構造においては該支持構造体を形成する三角形トラスのうち少なくとも一つの三角形において、該三角形を構成する3部材のうち少なくとも一つを異なる線膨張係数の材質で構成することを特徴としている。各部材の長さと線膨張係数を選択することにより光学部材間の光学距離を温度変化に関わらず一定に保ったり、あるいは該温度変化により光学部材に曲率変化が生じた場合には光学距離を所定の値だけ変化させて、焦点位置等の光学性能の変化を補正することが可能となった。
【００４３】
本発明ではハード対応で自然に光学性能変化を補正できるため、センサ等の処理系対応が不要で、安定し且つ安価な系を達成することが可能である。ハード的に自然に補正が行えるため、極めて広範囲な温度変化にも対応することができ、宇宙空間の様な厳しい条件にも適用する系を構成することが可能となった。また、支持構造体自体も骨組構造として構成されるため、軽量で簡素な構造とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態１の光学部材の支持構造を示す斜視図、
【図２】  部材3、4、5により形成される力学的平面を示す図、
【図３】  本発明の実施形態1の骨組み構造の側面図、
【図４】  本発明の実施形態2において部材3、4、5により構成される力学的平面が温度変化Tにより寸法変化した状態を示す平面図、
【図５】  温度変化で寸法変化した後の実施形態2の骨組み構造の上面図、
【図６】  温度変化で寸法変化した後の実施形態2の骨組み構造の側面図
【符号の説明】
1  主鏡、
2  副鏡、
3  主鏡支持部材、
4  支持部材、
5  支持部材、
6  副鏡支持部材
【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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