JP2006516761A - 軸外可変焦点および収差制御鏡および方法 - Google Patents

Abstract

軸外光学内の光学収差を低減するために変形する多層構成の光学要素である。さらに、この光学要素に関連した方法についても説明している。

Description

本発明は、概して形状可変鏡に関する。或る態様では、本発明はさらに形状可変鏡の焦点制御にも関する。これに加え本発明は、形状可変鏡の使用方法にも関する。またさらに、本発明は形状可変鏡の製造方法にも関する。

（関連する出願への相互参照）
本願明細書は、２００３年１月２４日付けで提出された米国仮特許出願第６０/４４２，３１５号の優先権の利益を主張するものであり、その完全かつ全体の開示は本願明細書中で参照により組み込まれている。
本願明細書中で参照により引用する全ての出版物および特許明細書は、各々の出版物または特許明細書が参照により引用されるような特定的かつ独立的に記載されるのと同じ程度で、本願明細書中に参照により組み込まれている。

以降の説明には、本発明を理解する上で有用な情報が含まれている。これは、ここで提供している全ての情報が従来技術、または現在請求されている発明と関連している、あるいは、特定的または潜在的に参照される任意の出版物が従来技術であるということではない。

マイクロ電気機械形状可変鏡（“ＭＥＭＳ-ＤＭｓ”）は、画像化およびビーム形成システムにおける波面操作に有用である。高自由度の鏡を使用して、大気の乱流のような源からのランダム収差を修正する。これらの鏡は、多数の作動場所を使用することを特徴としており、さらに、複雑な表面形状を採用することができる。低自由度の鏡は、焦点制御のような特定の波面修正向けに設計することができる。これらの鏡は、任意に変形することはできないが、しかし可変量の特定波面修正を提供することを目的としている。いくつかの用途では、高自由度の鏡は、低自由度の鏡が提供するのと同じ修正を提供するのに適しているが、そのインターフェースおよび制御スキームはさらに著しく複雑になる。内視鏡画像化システムのような用途では、単純なインターフェースと、焦点制御のための高速かつ精密な波面修正と、球面収差修正が望まれる。

焦点制御を行うための円形の窒化ケイ素膜鏡について前述した（Ｐ．ＨｉｍｍｅｒおよびＤ．Ｄｉｃｋｅｎｓｈｅｅｔｓによる“焦点制御を行う為のマイクロマシン化された窒化ケイ素形状可変鏡（Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ ｓｉｌｉｃｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ ｍｉｒｒｏｒｓ ｆｏｒ ｆｏｃｕｓ ｃｏｎｔｒｏｌ）”，Ｏｐｔｉｃ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．１６（２００１年８月１５日）、さらに“焦点制御及び球面収差制御の為の高速で、反りの大きい形状可変鏡（Ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ，ｌａｒｇｅ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ ｍｉｒｒｏｒｓ ｆｏｒ ｆｏｃｕｓ ａｎｄ ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ）”，ＩＥＥＥ/ＬＥＯＳ Ｏｐｔｉｃａｌ ＭＥＭＳ，ルガノ（Ｌｕｇａｎｏ）、スイス（Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ）（２００２年））。これらの鏡は、２つの環状作動ゾーンを設けることで、球面収差のない焦点制御を達成し、さらに、λ＝６６０ｎｍにて測定した最大２波の球面収差を修正する可能性を提供する。ビームの入射角度を鏡面に対して直角にする場合、光学システムにこれらの鏡を使用するためにはビームスプリッタを使用しなければならない。円形鏡を９０°以外の入射角度で使用することで、ビームスプリッタの必要性を排除できるが、しかし軸外収差が生じてしまう。

本発明は、光学ビームの軸外入射に特化して設計された膜が、ミニチュアシステムにおいて回折制限された焦点制御を達成できるという発見に一部基づいている。

本発明の或る態様では、形状可変光学要素が提供される。この形状可変要素は、反射面と少なくとも１つのアクチュエータを含んでいる。反射面は、入射ビーム軸を画定する光ビームを受光し、形状可変部材を含む。形状可変部材は、入射ビーム軸に対して移動可能な少なくとも１つのゾーンを画定する面を備えている。少なくとも１つのアクチュエータは、反射面の少なくとも１つのゾーンと結合している。この反射面は、入射ビーム軸に対して傾斜するよう方位付けされているため、少なくとも１つのアクチュエータが作動すると、少なくとも１つのゾーンが放物面区間に接近するように変形し、また、光を反射面から離間した焦点面へ反射することにより、光ビームの波面収差の度数を光ビームの波長の約２０％にまで低減することができる。

本発明の別の態様では、反射面を備えた形状可変光学要素を用いて、光学収差を低減した画像を提供する方法を提供する。この方法は、反射面を、放物面の区画された面に接近させるべく、反射面に対して概ね直交する軸に沿って変位させ；光ビームを、反射した光ビームによって形成された画像内の光学収差を低減するように、区画された面に対して傾斜した入射軸に沿って供給することで達成できる。

本発明のさらに別の態様では、形状可変光学要素をシリコン基板上に製造する方法を提供する。この方法は、誘電性複合部材を形成することで達成できるが、この誘電性複合部材は、少なくとも１つの電導性材料によって付勢された場合に、放物線状反射器の区画された部分によって形成された湾曲の放物線面を有する。

本発明のこれ以外の利点および特徴は、当業者が本明細書と図面を検討することで明白となるだろう。したがって、本発明のさらなる目的と利点は以降の説明から明瞭になる。

定義されていない限り、ここで使用する全ての技術用語および科学用語は、関連する技術分野において当業者により一般的に理解されている意味と同じ意味を有する。好ましい方法および材料について記述するが、この説明において述べるものと類似した、あるいはこれらと同等のあらゆる方法および材料を、本発明の実施または試験に使用することも可能である。

図１から図９は好ましい実施形態を示す。特に、図１は、部分的に完成した合成部材１０を示す。部材１０は、例えばシリコン、キャプスタン、Ｍｙｌａｒのような誘電性基板材料１２を含むことができる。誘電性基板１２上には熱酸化層１４が設けられている。熱酸化物層１４上に窒化物層を形成してもよい。さらに犠牲ホスホシリケートガラス層１６を設けてもよい。またさらに、窒化物層１８上に金属層２０を形成して、伝導面および反射面を提供することもできる。ガラス層１６は厚さ約２００ナノメートル、窒化物層は厚さ約１ミクロンのＬＰＣＶＤ低応力窒化ケイ素で、約５０から１００ＭＰａの残留応力が残留し、また、金属層２０は、スパッタ付着した厚さ約５０オングストロームのクロミウムの層、および厚さ約１０００オングストロームの金であることが好ましい。或る好ましい実施形態では、最上の金属層は、各々が静電アクチュエータ用の電極を画定する２つの伝導部材を形成するように模様付けされている。

図２に示すように、ガラス層１６を除去するために、犠牲酸化エッチング処理を施すことが好ましい。好ましくは、このエッチング処理は、例えばＨＦ酸のような酸エッチング処理を利用する。図３に示すように、誘電層１２のいくらかを除去するために、ウェットタイプまたはドライタイプであってよい異方性エッチング処理を施すことが好ましい。図３に示す光学要素１０は、窒化物層８と誘電性材料１２の間の空隙を備えている。

金属層２０に動電力が付加されると、光学要素１０が変形可能になる。詳細には、図４に生成された干渉パターンで示すように、光学要素の好ましい実施形態を変形して、放物線面区間に近い湾曲面を提供する。図４の好ましい実施形態におけるこの湾曲面は、図５中の湾曲面の形状を表すべく、グラフ上の複数の印として描かれる。図５では、光学要素１０の表面形状を、第４次ポリミナル放物線を表す実線の内側に一致する点線表示によって表すことで、湾曲面が光学反射器要素として適していることを示している。つまり、光学要素１０が例えば図５にあるような放物線光学面を形成するべく変形した場合、光学要素１０は他の光学要素と比べて多くの利点を提供する。球状反射器と比較した場合の１つの利点は、軸外反射器として、つまり入射ビーム軸に対して傾斜した面を提供する反射器の表面として使用した場合に、非点収差の実質的な減少が得られることである。すなわち、無限共役画像化のために、軸外放物線鏡は、放物線鏡の対称軸に対して入射するビームに概ね無収差の画像を提供することができる。次に、図６Ａから図６Ｄを参照すると、光学要素１０がこのような放物線面と近似するべく制御されるために、いかにして放物線面が生成されるかを示す例示的な図面を提供している。

図６Ａを参照すると、反射性放物線面４０は、放物線光学要素５０の区分された部分を利用して生成することができる。放物線要素５０は、一般に円形放物面として知られた放物線状反射器であってよい。放物線面を生成する１つの技術は、仮想面によって形成された面が放物線状の区分された面に接続した楕円形の外周部を有するように、仮想面を円形放物面にかけて所望の入射角度θで延ばすことができる。別の技術は、第１仮想面を所望の入射角度θで延ばした後に、前述の区分された面の外周部を、第１仮想面に対して慨ね直交して延びた複数の仮想面によって描くというものであってよい。後者の技術では、この外周部は、例えば４から８またはそれ以上の側面によって外周部が画定された、任意の適当な多角形状であってよい。

図６Ａでは、放物線要素５０は、デカルト座標上の放物面によって表すことができる。特に、放物線が軸ｚに対して対称的である場合、放物線要素５０は、軸ｘ、ｙが直交した状態で、一般方程式ｚ＝ａ（ｘ^２＋ｙ^２）によって定義できる。放物面にかけて仮想面を延ばしたら、区分された湾曲面が形成される。この区分された面は、角度θ上にシフトされた座標ｘ’、ｙ’、ｚ’を画定するために、ｙ軸とほぼ平行する軸の周りで座標軸ｘ、ｙ、ｚを回転させることで定義できる。新規の軸ｚ’、ｙ’（図６Ｂ）によって画定される面と対照の方向から見ると、区分された面はｚ’軸の周囲（つまり接線区間）で非対称に見える。また、図６Ｂ中の軸ｚ’、ｙ’で画定された平面と対照の方向から見ると、区分された放物線面はｚ’の周囲（つまり矢状区間）で慨ね対称的に見える。区分された面が所与の放物面上の何処を取ったものであるかによって、図６Ｄに示すように異なる焦点長を得ることもできる。

図７に示すように、光学要素１０は２つのアクチュエータ６０、６２を設けていることが好ましい。第１アクチュエータ６０は、動電力源と電気連絡するための電気コネクタ６０a、６０ｂを有し、光学要素１０の中心部付近を包囲するように形成することができる。第２アクチュエータ６２は、第１アクチュエータ６０を包囲し、光学要素１０の外周部に近接して配置されている。例えば第１ゾーンと第２ゾーンの間の間隔を変えたり、複数または３つ以上のアクチュエータを設けたりといった、これ以外のアクチュエータの形状および配置も提供できる点に注意すべきである。さらに、所望する光学要素１０の変形によって、アクチュエータを、区分された部分または連続した部分として形成することが可能である。これに関連して、動電力源と電気連通するためのコネクタ６２a、６２ｂが設けられる。２つのアクチュエータ６０、６２に異なる電圧（例えば異なる電圧レベル）を供給して、表面２０が軸ｚ’に沿って区分された放物面に変形できるようにすることも可能である。表面２０または表面２０の各部分を適切な変位および形状にて移動し、所望の湾曲面を提供することができる。好ましい実施形態では、表面２０の変位は１．２５から２．５ミクロン、最大で５ミクロンであってよい。あるいは、２つのアクチュエータに同一の電圧を供給して、両方のアクチュエータが単一のアクチュエータとして動作できるようにすることもできる。

本発明の形状可変鏡の作成に使用するには窒化ケイ素が好ましい材料であるが、鏡の作成には任意の適切な材料を使用できる。例えば、本発明の鏡の作成に使用可能な重合体材料が挙げられる。このような重合体材料は、当業者により、本願明細書の開示に基づき、標準的な実験技術を用いて特定される。

本発明の形状可変鏡の製造に使用される好ましい材料の例には、窒化ケイ素、ポリシリカ、Ｍｙｌａｒ（登録商標）が含まれるが、しかしこれらに限定はされない。

シリコンエラストマの準備は当業者によく知られている。例えば以下を参照でき、米国特許第３，９９６，１８７号（“光学的に透明な充填エラストマ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｃｌｅａｒ Ｆｉｌｌｅｄ Ｓｉｌｉｃｏｎｅ Ｅｌａｓｔｏｍｅｒｓ）”）、第６，０１３，７１５号（“熱可塑性シリコンエラストマ（Ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃ Ｓｉｌｉｃｏｎｅ Ｅｌａｓｔｏｍｅｒｓ）”）；ＫｌｅｅｍａｎｎおよびＷｅｂｅｒ、エラストマ処理（Ｅｌａｓｔｏｍｅｒ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）：方程式及び表（Ｆｏｒｍｕｌａｓ ａｎｄ Ｔａｂｌｅｓ）、Ｈａｎｓｅｒ Ｇａｒｄｎｅｒ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ（１９９８年）；Ｃｈｅｒｅｍｉｓｉｎｏｆｆ（編集者）、エラストマ技術ハンドブック（Ｅｌａｓｔｏｍｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｈａｎｄｂｏｏｋ）、ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ（１９９３年）、Ｄｏｎｓｋｏｉ、エラストマ熱遮へい材料についての物理化学（Ｐｈｙｓｉｃｏ−ＣＨｅｍｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｌａｓｔｏｍｅｒ Ｈｅａｔ−Ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）、Ｎｏｖａ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ（１９９８年）、本願明細書ではこれらの各々を全て参照により詳細に援用している。

窒化ケイ素をシリコンの代わりにリボン材料として使用することで、より高速な反応時間（より高い共振周波数による）、より高い電力対応機能（熱膨張係数がより低く、温度抵抗が非常に高いためによる）、そしてより長い寿命が得られる。この装置の固有周波数は設計によるものであり、リボンの厚さおよび長さを含む寸法の選択、また、付着により誘発される応力のような特定の性質を含む採用する材料の選択によって決定される。

形状可変鏡の製造のための一般的な詳細は当業者によく知られている。例えば、米国特許第６，６６１，５６１号；６，６５６，７６８号；６，５０７，０８２号；６，３９８，３７２号；６，２９３，６８０号；６，２３６，４９０号；６，１８１，４５９号；６，１０８，１２１号；６，００２，６６１号；５，９８６，７９５号；５，７７７，８０７号；５，６６１，５９２号および５，３１１，３６０号を参照することができ、これらは全て本願明細書において参照により援用されている。

例
楕円形の境界（好ましい実施形態に示し、説明している）を具備した光学要素１０を使用することにより、光学要素１０が、円形膜鏡によって誘発される非点収差を減少すると考えられている。光学要素１０の好ましい実施形態では、光学要素は、主軸と小軸の長さの寸法がそれぞれ１．４１４×１ｍｍであり、これにより楕円率が１．４１４の鏡であってよい。これらの例に２つの作動ゾーンを使用して、球面収差を制御することができる。外週部の区間によって、完成した装置の動作電圧がより低くなり、改善された表面形状が得られる。反射された波面の光学収差を（λ÷８）未満に維持しながら、光学要素１０に最大２．７ミクロンの反りを設けることができ、この場合λ＝６６０ｎｍで測定している。

軸外の集束に必要な光学鏡形状は、画像化システムの構成によって異なる。無限共役画像化では、軸外放物線鏡は無収差のシステム構成を生成する。無限共役画像化では、軸外放物線鏡は、放物面の対称軸と平行なビーム入射のために無収差の画像を生成する。

図６Ａは、ビームが例えば一箇所のような焦点面上に反射できるように、局所表面法線ベクトルに対して４５°の好ましい入射角度を有するビームを示す。ビームは放物線焦点において集束し、直角焦点変更と集束の両方を招く。

一例として、４５°の入射では、主要光線が放物面の点Ｐ_０において反射され、次の公式によって求められる：

（ｘ_０，ｚ_０）＝（１/（２ａ），１/（４ａ））
この場合、ａは、次の方程式１にて示す放物面の２次係数である。

ｚ＝ａ（ｘ^２＋ｙ^２） （１）

Ｐ_０にて中心決めされた反射膜の必要な形状を計算するために、座標システムをＰ_０へシフトし、また、ｙと平行しＰ_０と交差する軸の周囲において４５°の角度で回転させる。新規に準備した座標を図１に示す。これにより、新規の座標システムにおける放物面状の区画のための方程式２が得られる。

（ａ/２）ｚ’^２＋ａｙ’^２＋（ａ/２）ｘ’^２−ａｘ’ｚ’−√２_Ｚ’＝０ （２）

接線区間はｙ’＝０平面において取られるが、これは接線曲線のための方程式３によって示される。

ａｚ’ ^２−２ｚ’（√２＋aｘ’）＋aｘ’^２＝０ （３）

矢状区間はｘ’＝０平面において取られ、矢状曲線のための方程式４によって示される。

１/２（ａｚ’^２）＋ａｙ’^２−√２ｚ’＝０ （４）

接線曲線はｘ’において対称ではなく、対称的な表面によってのみ近似が可能である。方程式４で記述した矢状表面は楕円形であり、ｙ’において対称的である。接面は、図２中に詳細に示している。

膜変位が小規模であるため、顕著な誤差を生じることなく方程式３、４中のｚ’^２の項を落とすことができる。典型的なｚ’の変位は４ミクロンを超えず、また、ｚ’^２項を残りの項よりもけた違いの大きさで小さくすることができる。楕円形膜から測定した表面曲線との比較を容易にするために、テーラー級数展開を使用して、４よりも大きな次数の項を落として、方程式３を近似できる。その結果、接線区間について、接線区間と矢状区間に沿った表面変形のための式が方程式５で、また矢状区間については方程式６で示される。

ｚ’（ｘ’）＝〜（（√２ａ）/４）ｘ’^２−（ａ^２/８）ｘ’^３＋（（√２ａ^３）÷１６）ｘ’^４ （５）

ｚ’（ｙ’）＝〜（（√２ａ）/２）ｘ’^２ （６）
なお、上記方程式５、６中の「＝〜」は、「＝」の上に「〜」が組み合わされてなる１つの記号の代用記号である。

４５°の軸外放物線鏡の有効焦点距離は１/（２ａ）であり、１/４ａである放物面の焦点距離の２倍である。さらに、矢状区間に沿った鏡面の有効曲線は、接線区間に沿った曲線の２倍である。図６Ｄは、反射膜の３つの異なる焦点距離に関連した放物面を示す。

ポワソン方程式（Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ ａｎｄ Ｇｏｏｄｉｅｒ、“弾性の理論（Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ）”，Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｏｃｉｅｔｉｅｓ Ｍｏｎｏｇｒａｐｈｓ，３^ｒｄ ｅｄｉｔｉｏｎ，ＭｃＧｒａｗ Ｈｉｌｌ（１９７０））を用いた、弾性理論のフレームワークにおいて、膜の表面曲線が得られる。方程式７は、均等な負荷と面内張力を設けた状態で、楕円形境界の解法を提供する。

ｚ’＝（ｐａ^２ｂ^２（（ｘ’^２/ａ^２）＋（ｙ’^２/ｂ^２）））÷２Ｔ（ａ^２＋ｂ^２） （７）

方程式７中の機械定数は以下のとおり定義される：ｐは付加された均等な圧力であり、Ｔは膜張力である。主軸の半幅ａと小軸の半幅ｂはａ＝ｅｂにより関連し、ここで、ｅは楕円の離心率である。座標システム（ｘ’、ｙ’、ｚ’）を図６Ａに示す。主軸はｘ’、小軸はｙ’であり、ｚ’は膜の反りである。矢状（小軸）方向および接線（主軸）方向の両方において、膜曲線は放物線状である。膜の接線放物線係数ａ_２ｔと矢状放物線係数ａ_２ｓは、方程式８で示す比率によって関連付けられる。

（ａ_２ｔ÷ａ_２ｓ）＝（ｂ^２＋ａ^２） （８）

放物線状曲線の比率は、離心率の逆数の二乗である。√２の膜の離心率については、理論では、矢状放物線状曲線が接線曲線のものの２倍になると予測できる。これは、４５°の入射角度を有する軸外鏡に必要な曲線関係である。

膜はｘ’、ｙ’における放物面として変形する必要があるために、反射されたビームに収差が生じる。この収差は、方程式７で予測された膜の反りを、方程式２で特定された所望の表面形状と比較することで計算できる。矢状区間（ｘ’＝０）のみを考慮した場合、この区間に沿って評価を行うと収差はゼロであることが明白である。これは、方程式７と方程式６の両方の依存性がｙ’^２でしかないためである。接線区間は有限収差を呈する。

小規模の変位ｚ’を有する表面では、４５°の光学波面入射がｎ√２ｚ’で示される光路放射を経験し、この場合、ｎは媒体の屈折の指数である。当方は当方の鏡の光学波面収差をｗ＝√２（ｚ’_ｒｅｆ−ｚ’_ｍｅｍｂ）と定義し、ここで、ｚ’_ｒｅｆは、方程式２（または、接線区間についての方程式５、および矢状区間についての方程式６）において示した軸外放物面基準面であり、ｚ’_ｍｅｍｂは膜表面の反りである。図４は、方程式７で示した均等な負荷の膜近似に基づいて当方の膜鏡に予想される接線区間光学波面収差である。１０ｍｍよりも長い焦点距離では、この理論は、０．０６ミクロンのピーク・トゥ・ピークよりも短い収差、つまり可視波長について約（λ÷１０）を予測する。

楕円形鏡は、窒化ケイ素表面にマイクロマシン工作処理を用いて製造されていることが好ましい。この処理は、犠牲ホスホシリケートガラス（ＰＳＧ）層を使用して、犠牲リリースエッチング後に、バルクシリコン・エッチングを採用している。バルクエッチングの目的は、任意の深さを有するエアキャビティを作成することにより、大型の作動距離を許容することを可能にすることである。バルクシリコン・エッチングはキャビティを作成するため、ＰＳＧ犠牲層を、ＰＳＧ腐食液の拡散が許容される厚さにまで薄型化することができる。

鏡は、仕上げ異方性バルクエッチングに望ましいシリコン（１００）ウェーハ上に製造することが好ましい。８％のＰＳＧ層の２００ｎｍの厚さは犠牲層として付着される。鏡構造層は、厚さ１ミクロンのＬＰＣＶＤ低応力窒化物である。残留応力測定によって、５０から１００Ｍｐａの残留応力となる。クローム−金の金属化層を窒化ケイ素の頂部上にスパッタリングすることで、これが反射鏡面、そして作動電極として機能する。クローム層は厚さ５０Å以下であり、接着促進に使用される。金の層は厚さ１０００Åであり、これは作動と反射に十分な厚さであると証明されている。この頂部金属層は２つの別個の電極、つまり内部電極（５００×７０７ミクロン）と外部環状電極にパターン化される。製造順序（左）と楕円鏡の平面図（図７）とを示す絵的な断面については図１を参照のこと。図２、図３は、リリース工程の絵的表示である。

表面湾曲の測定は、Ｍｉｒａｕ干渉計Ｎｉｋｏｎ Ｍ−Ｐｌａｎ １０ｘ ＤＩ顕微鏡対物レンズを使用して得られる。サンプルの傾斜により、鏡の表面にかけて干渉パターンが生じる。図４中の光学要素１０の平面図に示すように、断面図に沿った干渉フリンジの位置が、断面図の表面曲線を形成している。各々のフリンジは、６６０ｎｍのレーザダイオード照射の場合で、３３０ｎｍ、または波長の半分を呈する。鏡の直線傾斜を差し引いた後には、相対表面高さに対するフリンジの空間位置が第４次多項式とも一致するようになる。矢状方向（図４中の白線で示す）と接線方向は、この方法を用いてそれぞれ別個に測定される。

一連の内部電極電圧と外部電極電圧の対について、データセットが取得される。取得したデータセットを補間して、あらゆる任意（内部、外部）電圧の対について第２係数と第４係数を取得する。多項式に一致する表面形状は、所望の光学形状に対して、および膜理論から予測された形状に対して比較できる。本願明細書中で説明している測定の一例として、図５は１×１．４１４ｍｍの楕円鏡の実験的データを提供している。

図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃに、３つの小規模の反りについて測定した光学波面の収差を示す。波面収差は、理論上の軸外放物線状反射器と実験的表面形状データの第４次多項式一致との間の光路差である。接線区間と矢状区間の両方が、短縮された距離に対してプロットされた接線データと共に示され、また、ビーム伝播方向に対して直角を成す表面上で傾斜した楕円形反射器の突出部と関連している。表１は、図７に示すように、矢状区間と接線区間について一覧にした多項式係数を提供する。測定した接線係数ａ_２の２倍に相当する理論的な矢状放物線曲線係数ａ_２も表１に示す。これらの係数は鏡座標（ｘ’、ｙ’）に適応する。

中間範囲の焦点調整では、相対的な内部電極電圧と外部電極電圧を変更して、一波よりも多くの正または負の球面収差調整を実施することができる。表１中に示した焦点距離の範囲では、接線区間または矢状区間について、第４次項を全て無効にすることが可能である。しかしながら、当方が使用した電極設計では、矢状区間と接線区間の両方について第４次項を同時に無効化することはできない。表１に挙げた電圧の対は、鏡の総ピーク・トゥ・ピーク収差を最小にするべく、前記２つの区間について球面収差と放物線状曲面項を釣り合わせるために選択された。∞から３６ｍｍの範囲の焦点距離では、波面収差を、６６０ｎｍの照射について約（λ÷５）に相当し、０．１３ミクロン未満に維持することができる。

測定した表面形状データで観側された第４次項収差は、製造した鏡が、単純で均等な負荷をかけた膜モデルから離れることを示す。膜が反れると、膜の下にある空隙に変化が生じ、表面全体にかかる圧力が不均等になる。中心部は外周部よりも大きな力を経験するが、これは、外部電極の電圧を上げることで補正される。これは、反りが大きい場合に非常に効果的である。

内部電極電圧と外部電極電圧を適切に選択することで、接線区間に沿った球面収差を任意に小規模化でき、これにより、図８に示すように、放物曲線が得られ、残留収差を理論上最小化できる。しかしこの場合、矢状区間に沿った球面収差が主要な収差となる。矢状区間と接線区間の両方について第４次曲線の同時修正を可能にするべく電極の再設計を行った場合には、軸外反射器の総収差を大幅に低減することができる。この場合、６６０ｎｍにおいて（λ÷１０）である０．０６ミクロン未満の光学波面収差を維持しながら、長さが１０ｍｍと短く、瞳直径が１ｍｍの焦点距離の達成が可能なはずである。それでも、この例の最適化されていない鏡は、やはり∞から３６ｍｍの範囲内の焦点距離について（λ÷５）の収差を呈する。

したがって、この例は、４５°のビーム入射角度について設計された焦点制御鏡を例証している。しかし、これ以外の適切な入射角度の使用も可能である旨に留意すべきである。２つの作動ゾーンによって表面形状が制御され、ピーク・トゥ・ピーク波面収差を、∞から３６ｍｍの範囲の焦点調整範囲にかけて、０．１３ミクロン未満までに維持することが可能になる。理論上の分析では、直径１ｍｍのビームに使用する楕円形膜は、１０ｍｍと短い焦点距離について、０．６ミクロンのピーク・トゥ・ピーク波面収差未満を維持することができるはずだと予測している。最適化した２ゾーン式アクチュエータは、実用的な装置が類似の性能を達成することを許容する。

形状可変鏡（“ＤＭｓ”）は、産業、医薬、防衛、消費製品を含むがこれらに限定されないレーザおよび光学システムが関与したあらゆる技術において、潜在的な用途を有する。ＤＭｓが特に有用である特定技術の例を以下に数例示す。

光学通信
自由空間光学通信概念は、秘匿的で（傍受不可能）、妨害不可能で、無線周波数と比較して低電力の無線リンクを提供する。ＤＭｓは、レーザトランスミッタのサイズとパワーを縮小し、大気の歪みを補正するビーム拡散を低減するために使用できる。動作的な使用には、宇宙対宇宙、宇宙対航空機、宇宙対地面の衛星通信、および、光ファイバトランクをエンドユーザ設備につなぐためのラストマイル・データ送信が含まれる。

レーザ・レンジファインダ、デジグネータ、トラッカ
ハンドヘルド型システムから航空機搭載型システムまでの様々なハードウェアは、有効な範囲を拡大し、および/またはレーザの物理的大きさと必須電力を縮小する上で、ＤＭレーザビームの向上から恩恵を受けることができる。これ以外にも、ＣＤ-ＲＯＭ、ＣＤ-Ｒｅａｄ/Ｗｒｉｔｅ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、またはＤＶＤ-Ｒｅａｄ/Ｗｒｉｔｅのような光ディスクドライブ内の光学読み取り装置に使用することができる。

監視画像化システム
直接ビューイングまたはビデオカメラ監視および記録の何れに使用する場合でも、監視システムは、動的な形状可変鏡によって得られるリアルタイムでの大気歪みと振動補正から恩恵を受けることができる。

大型アパーチャカメラ
多くの用途および使用者にとって、ロングレンジ、高解像、ローライトのカメラ（フィルム、デジタルおよびビデオ）に必要な大型で高品質のレンズの値段は法外なものである。光学システムがレンズ収差を修正する形状可変鏡を設けていれば、レンズ要素は遥かに品質の低いものでよくなり、これにより費用も安価で済む。

生物学的画像化
生物学の分野では数タイプの画像化機器が使用されている。医療機器でのＤＭｓの使用の例にはカテーテルおよび分光機器が含まれるが、これらに限定されるものではない。これら医療危機のタイプの多くは、改善された焦点、明瞭性、解像度からの恩恵を受けている。例えば検眼鏡は、様々な疾病および状態を診断するべく眼の網膜を画像化するために使用されている。網膜像の質は、光学収差、目のレンズの不完全性によって低減してしまう。ＤＭｓを用いた実験では、検眼器の性能において診断上の著しい向上が得られた。

宇宙の観察および写真撮影
形状可変鏡への転用の最初の用途の１つは宇宙分野での使用であった。大気は、星を輝かせるだけでなく、惑星および宇宙船の画像を歪ませてしまう。形状可変鏡を組み込んだいくつかの最新の望遠鏡は、以前は達成不可能であった性能を提供することができる。

ホログラフィ
ＤＭｓはさらにホログラフィ投影にも使用される。例えば、Ｊ．Ｍ．ＦｌｏｒｅｎｃｅおよびＲ．Ｏ．Ｇａｌｅの“フーリエ面における形状可変鏡装置空間光変調器を用いる干渉性光学相関器（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｒｒｅｌａｔｏｒ ｕｓｉｎｇ ａ ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ ｍｉｒｒｏｒ ｄｅｖｉｃｅ ｓｐａｔｉａｌ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ ｉｎ ｔｈｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｐｌａｎｅ），” Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，２７（１１）：２０９１-２０９３を参照のこと。

３-Ｄディスプレイ・システム
ＤＭｓは、走査した光ディスプレイ、または仮想網膜ディスプレイ（ＶＲＤ）内に複数の焦点面を生成するために使用される。例えば、ＭｃＱｕａｉｄｅ等のＳＩＤ ０２ Ｄｉｇｅｓｔ，５０．４：１-４；Ｓｕｙａｍａ等の Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，３９：４８０；２０００；Ａｓｈｉｚａｋｉ等の米国特許第５，３５５，１８１号；米国特許第５，４６７，１０４号；Ｍｉｌｌｓ等のＳＰＩＥ ５０７；９３（１９８４）を参照のこと。

ここで述べた出版物は、本発明の出願日よりも前に開示されたことを示すことのみを目的として挙げた。ここで、何事であっても、本発明が、過去の発明に基づいたこのような出版物よりも先行する日付を付与されていないことを承認するものとして解釈されるべきではない。

本発明をその特定の実施形態に関連して説明してきたが、これ以外のさらなる変更が可能であり、また、本願明細書は大概的に本発明の原理に従っており、本発明が関連する技術上周知で慣習的に実施される範囲内に包括され、さらに、これまで説明した、また添付の請求項の範囲に従った本質的な特徴に適用可能である本開示からの逸脱を含む、本発明のあらゆる応用形、使用、適合を網羅するものであると理解されるだろう。

好ましい実施形態による複合誘電性光学要素の断面図を示す。 空隙を設けるための光学要素の部分エッチングを示す。 好ましい実施形態に従って所定の空隙を設けるための、図２の光学要素の仕上げエッチングを示す。 好ましい実施形態の面の湾曲を干渉写真で示す。 理論上の湾曲面と概ね一致している状態の、好ましい実施形態による光学要素の湾曲を示す。 軸外区間をハイライト強調することによって放物面を示し、光学表面の評価において使用される座標システムを示す図式的表示である。 ４５°の角度で回転させた放物面の接線断面図である。オリジナルの軸にはｘ、ｙ、ｚの符号を付し、回転させた軸にはｘ’、ｙ’、ｚ’の符号を付している。実線は、鏡として使用される放物面の部分を示す。 異なる焦点距離を有する異なる軸外放物面を、それぞれ対応する集束されたビームと共に示す。 アクチュエータが上設された、好ましい実施形態の光学要素の絵画的図面である。 接線区間に沿った、反射されたビーム内の波面収差を示す。ｘ軸は、光学ビーム内の放射状位置を示す。図中に示した焦点距離は、膜鏡の有効焦点距離である。 或る好ましい実施形態の実験データである。詳細には、この実験データは、焦点距離がそれぞれ７０ｍｍ、５０ｍｍ、３６ｍｍの、形状可変鏡のための光学波面収差を示す。

Claims (17)

1. 入射ビーム軸を画定する光ビームを受光する反射面を備え、反射面が、入射ビーム軸に対して移動可能な少なくとも１つのゾーンを画定する表面を有する形状可変部材を設けており；さらに、
   反射面の少なくとも１つのゾーンと結合した少なくとも１つのアクチュエータをさらに備え、反射面が入射ビーム軸に対して傾斜して方位付けられているため、少なくとも１つのアクチュエータを作動させると、少なくとも１つのゾーンが、放物面区間と一致するよう変形し、さらに、光ビームの波面収差の度数を光ビームの波長の約２０％に低減するべく、光を反射面から離間した焦点面に向けて反射する形状可変光学要素。
2. 放物面区間が、ｚ＝ａ（ｘ^２＋ｙ^２）で定義される形状を有する放物面反射器の区間を備えており、ここで、ｚは、ｘ、ｙが相互に対して、およびｚ軸に対して直交軸を定義する状態で、放物面反射器の中心を通って延びる軸を定義し、ａは、放物面反射器の第２次係数である、請求項１に記載の形状可変光学要素。
3. 放物面区間が、放物線状反射器上の或る点によって画定された区間を備えており、区間は、放物線状反射器上の或る点が新たな座標軸ｚ’、ｘ’、ｙ’上に位置するよう、ｙ軸と平行する軸周囲で角度θで回転された軸ｘを有する、請求項２に記載の形状可変光学要素。
4. 角度θが、焦点面付近の少なくとも３６ミリメートルの焦点長にかけて、波面収差が０．１３ミクロン未満である少なくとも１つの角度を備えている、請求項３に記載の形状可変光学要素。
5. 放物面区間が（ａ/２）ｚ’^２＋ａｙ’^２＋ａ/２ｘ’^２−ａｘ’ｚ’−（√２）ｚ’＝０によって画定されるようにするべく、角度が約４５°の角度を有する、請求項４に記載の形状可変光学要素。
6. 光学要素が複数の層を備えており、層の１つには、複数層のうち少なくとも１層の上に設けた金属層を含む、請求項３に記載の形状可変光学要素。
7. 金属層が少なくとも１枚の反射層を備え、この反射層が、金、パラジウム、プラチナム、クロミウム、アルミニウム、タンタラム、チタニウム、およびこれらの組み合わせのうちの１つを含んでいる、請求項６に記載の形状可変光学要素。
8. 金属層が電動源からの電子を管理する、請求項７に記載の形状可変光学要素。
9. 複数の層が金属層を備えており、金属層が、光ビームに露出した第１面と、シリコンの熱酸化物とシリコン基板を結合する窒化物層と結合した第２面とを備えるシリコンの酸化物とシリコン基板の間に空隙が形成されている請求項８に記載の形状可変光学要素。
10. 金属層が、金層と結合し、金層よりも厚さの薄いクロミウム層を備えている、請求項９に記載の形状可変光学要素。
11. 複数の層が金属層を備えており、この金属層が、光ビームに露出された第１面を備え、さらに、ポリシリカ、キャプタン、Ｍｙｌａｒ（登録商標）、またはこれらの組み合わせのうち少なくとも１つで製造された基板に結合する窒化物層と結合した第２面を備えている、請求項８に記載の形状可変光学要素。
12. 少なくとも１つのアクチュエータが、形状可変部材上で第２アクチュエータを包囲する第１アクチュエータを備え、また、第１、第２アクチュエータの一方が、形状可変部材を約１．２５ミクロン（１．２５μｍ）の距離だけ移動するよう操作可能である、請求項１に記載の形状可変衡学要素。
13. 反射面を有する形状可変光学要素を使用して画像を提供する方法であり、
    反射面を放物面の或る区画された面に近似させるべく変形させるように、反射面を、反射面に対して概ね直交する軸に沿って変位させることと、
    反射された光ビームにより画像内に形成される光学収差を低減するよう、区画された面に対して傾斜した入射軸に沿って光ビームを供給することとを備える、方法。
14. 光ビームの供給が、ビームスプリッタを使用せずに光ビームを反射することを備える、請求項１３に記載の方法。
15. シリコン基板上に形状可変光学要素を製造する方法であり、
    複合部材を少なくとも１つの電導性材料によって付勢した場合に、放物線状反射器の区画された部分により形成された、湾曲部の放物線面を有する誘電性複合部材を形成することを備える方法。
16. 誘電性複合部材の形成が、湾曲部の放物線面と接続する概ね楕円形の境界線を提供する、請求項１５に記載の方法。
17. 誘電性複合部材の形成が
    シリコン基板と窒化物層の間で、ホスホシリケートガラス層がシリコン基板に結合することと；
    窒化物層の上に金属層を接着することと；
    空隙を設けるために、ホスホシリケートガラス層を除去することとを備える方法。

Images