JP2016508626A - 一体化されたフレクシャを有するモノリシック光学構成要素 - Google Patents
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Abstract
光学要素は、内側本体部分と、内側本体部分の周りに少なくとも部分的に延びる外側本体部分と、内側本体部分を外側本体部分に接続するちょうど3つの撓みヒンジとを有するモノリシック本体部分を含む。内側本体部分および外側本体部分の一方は、光を反射、屈折、または回折させるように構成された光学活性部分を画定し、内側本体部分および外側本体部分の他方は、マウント部分を画定する。
Description
本開示は、一体化されたフレクシャを有するモノリシック光学構成要素に関する。
光学表面外形とは、理想的な表面形状からの実際の光表面形状の逸脱を指す。従来、理想からの逸脱が小さい光学要素を必要とする光学系では、光学要素は、フレクシャ・マウントを使用して定位置で保持される。たとえば、光学要素は、接着剤を使用してマウントのフレクシャ部分に接合することができ、フレクシャは、インバーなどの金属合金から形成される。この構成は、光学要素がマウントに直接固定された場合に普通なら生じるはずの光学要素内の応力を低減させるように設計される。具体的には、フレクシャ・マウント構成は、下にある取り付け構造の熱的または機械的変形(たとえば、マウントを平行移動させるとき)による要素の光学表面の歪みを低減させるために使用される。
しかし、フレクシャ・マウント/合金インターフェース構成は依然として、光学要素内に応力をもたらす可能性があり、それには、フレクシャをマウントに嵌合する際の欠陥からの応力、組み立てる際の構成要素の軽微な位置合わせ不良からの応力、光学要素をフレクシャ・マウントに接合するために使用される接合材料(たとえば、エポキシ)の硬化収縮/不安定性に伴う変形からの応力、および使用される材料の熱膨張係数が異なることに起因する応力が含まれる。さらに、厳しい外形公差および高いアスペクト比を有する光学要素(たとえば、鏡)を取り付けるとき、取り付け応力は、許容できるレベルを容易に超過し、所期のシステムに必要とされる仕様から外れて光学要素を湾曲させる可能性がある。
本開示の様々な態様について、次のように要約する。
概して、第1の態様では、本開示の主題は、内側本体部分と、内側本体部分の周りに少なくとも部分的に延びる外側本体部分と、内側本体部分を外側本体部分に接続するちょうど3つの撓みヒンジとを有するモノリシック本体部分を含む光学要素で実施することができる。内側本体部分および外側本体部分の一方は、光を反射、屈折、または回折させるように構成された光学活性部分を画定し、内側本体部分および外側本体部分の他方は、マウント部分を画定する。
概して、第1の態様では、本開示の主題は、内側本体部分と、内側本体部分の周りに少なくとも部分的に延びる外側本体部分と、内側本体部分を外側本体部分に接続するちょうど3つの撓みヒンジとを有するモノリシック本体部分を含む光学要素で実施することができる。内側本体部分および外側本体部分の一方は、光を反射、屈折、または回折させるように構成された光学活性部分を画定し、内側本体部分および外側本体部分の他方は、マウント部分を画定する。
光学要素の実装形態は、以下の特徴や他の態様の特徴の1つまたは複数を含むことができる。たとえば、いくつかの例では、ちょうど3つの撓みヒンジにより、光学活性部分の光学性能を劣化させることなく、マウント部分を別の部分に取り付けることが可能になる。
いくつかの実装形態では、内側本体部分は光学活性部分であり、光学活性部分は鏡である。
いくつかの実装形態では、ちょうど3つの撓みヒンジはそれぞれ、実質的に、モノリシック本体部分の幾何学的中心に対して接線方向に沿って延びる。ちょうど3つの撓みヒンジはそれぞれ、接線方向の約30度の範囲内の方向に沿って延びることができる。
いくつかの実装形態では、ちょうど3つの撓みヒンジはそれぞれ、実質的に、モノリシック本体部分の幾何学的中心に対して接線方向に沿って延びる。ちょうど3つの撓みヒンジはそれぞれ、接線方向の約30度の範囲内の方向に沿って延びることができる。
いくつかの実装形態では、内側本体部分は円形の形状を有する。他の実装形態では、内側本体部分は円形以外の形状を有する。
いくつかの実装形態では、各撓みヒンジは、内側本体部分と外側本体部分との間の細長い間隙によって、隣接する撓みヒンジから分離される。撓みヒンジの少なくとも1つおよび細長い間隙の少なくとも1つは、弧状の形状とすることができる。細長い間隙の少なくとも1つは、撓みヒンジの少なくとも1つの弧長より長い弧長を有することができる。各細長い間隙は、モノリシック本体部分の厚さを通ってモノリシック本体部分の第1の表面からモノリシック本体部分の反対側の第2の表面まで延びることができる。各細長い間隙は、第1の端部部分および反対側の第2の端部部分を有することができ、第1の細長い間隙の第1の端部部分は、隣接する細長い間隙の第2の端部部分に径方向に重複する。第1の細長い間隙の第1の端部部分と隣接する細長い間隙の第2の端部部分との間には、第1の撓みヒンジが位置することができる。第1の撓みヒンジの厚さは、内側本体部分の厚さ未満または外側本体部分の厚さ未満もしくはその両方とすることができる。第1の撓みヒンジの頂面は、内側本体部分および外側本体部分の頂面に対して凹ませてもよいし、第1の撓みヒンジの底面は、内側本体部分および外側本体部分の底面に対して凹ませてもよい。外側本体部分は、第1の撓みヒンジに一体的に結合された棚部分を含むことができる。内側本体部分は、第1の撓みヒンジに一体的に結合された張り出し部分を含むことができる。各細長い間隙の第2の端部部分は、細長い間隙の第1の端部部分から径方向にずらすことができる。
いくつかの実装形態では、各撓みヒンジは、内側本体部分と外側本体部分との間の細長い間隙によって、隣接する撓みヒンジから分離される。撓みヒンジの少なくとも1つおよび細長い間隙の少なくとも1つは、弧状の形状とすることができる。細長い間隙の少なくとも1つは、撓みヒンジの少なくとも1つの弧長より長い弧長を有することができる。各細長い間隙は、モノリシック本体部分の厚さを通ってモノリシック本体部分の第1の表面からモノリシック本体部分の反対側の第2の表面まで延びることができる。各細長い間隙は、第1の端部部分および反対側の第2の端部部分を有することができ、第1の細長い間隙の第1の端部部分は、隣接する細長い間隙の第2の端部部分に径方向に重複する。第1の細長い間隙の第1の端部部分と隣接する細長い間隙の第2の端部部分との間には、第1の撓みヒンジが位置することができる。第1の撓みヒンジの厚さは、内側本体部分の厚さ未満または外側本体部分の厚さ未満もしくはその両方とすることができる。第1の撓みヒンジの頂面は、内側本体部分および外側本体部分の頂面に対して凹ませてもよいし、第1の撓みヒンジの底面は、内側本体部分および外側本体部分の底面に対して凹ませてもよい。外側本体部分は、第1の撓みヒンジに一体的に結合された棚部分を含むことができる。内側本体部分は、第1の撓みヒンジに一体的に結合された張り出し部分を含むことができる。各細長い間隙の第2の端部部分は、細長い間隙の第1の端部部分から径方向にずらすことができる。
いくつかの実装形態では、ちょうど3つの撓みヒンジはそれぞれ、実質的に、モノリシック本体部分の幾何学的中心に対して径方向に沿って延びる。
いくつかの実装形態では、少なくとも1つの撓みヒンジは、モノリシック本体部分の厚さ未満の厚さを有する。
いくつかの実装形態では、少なくとも1つの撓みヒンジは、モノリシック本体部分の厚さ未満の厚さを有する。
いくつかの実装形態では、モノリシック本体部分の厚さは、モノリシック本体部分の幾何学的中心から径方向に沿って減少または増大する。
いくつかの実装形態では、モノリシック本体部分は、ガラス、金属、ガラス・セラミック・マトリックス、セラミック、石英、シリコン、ゲルマニウム、およびベリリウムからなる群から選択される材料から作られる。
いくつかの実装形態では、モノリシック本体部分は、ガラス、金属、ガラス・セラミック・マトリックス、セラミック、石英、シリコン、ゲルマニウム、およびベリリウムからなる群から選択される材料から作られる。
いくつかの実装形態では、光学活性部分はレンズまたは鏡である。
いくつかの実装形態では、光学要素は、モノリシック本体部分上に反射層をさらに含む。反射層は、複数の層を含むことができる。
いくつかの実装形態では、光学要素は、モノリシック本体部分上に反射層をさらに含む。反射層は、複数の層を含むことができる。
いくつかの実装形態では、内側本体部分の中心に開口が位置する。
いくつかの実装形態では、外側本体部分は、3つの別個の区間を含み、各区間は、対応する撓みヒンジに接続される。
いくつかの実装形態では、外側本体部分は、3つの別個の区間を含み、各区間は、対応する撓みヒンジに接続される。
特定の実装形態は、特定の利点を有することができる。たとえば、光学要素の接続部分は、外側本体部分で生じる(たとえば、光学要素を取り付ける結果として生じる)応力が内側本体部分へ進むのを抑制することができ、光は反射、屈折、または回折させられる。さらに、モノリシック本体部分は特定の材料から均一に構成されるため、異なる材料の異なる熱膨張係数間の不整合のために光学要素の内側本体部分内で普通なら生じるはずの応力を最小にすることができる。内側本体部分へ進む応力を制限することによって、光学要素の表面を理想から逸脱させるはずの内側本体部分の変形、運動又はその両方を低減させることができる。追加として、モノリシック本体部分は単一の連続した構成要素として構成されるため、本体部分の組み立ては不要である。
1つまたは複数の実装形態の詳細について、添付の図面および以下の説明に記載する。他の特徴および利点は、説明、図面、および特許請求の範囲から明らかであろう。
図1Aは、一体化されたフレクシャを含む応力低減光学要素100の一例の平面図を示す概略図である。紙面の内外に延びるz方向を基準として、デカルト座標系が示されている。z方向はまた、要素100の光軸に対して平行に延びる。光学要素100は、たとえばとりわけ、レンズ(たとえば、高精度レンズ)、鏡、ビーム・スプリッタ、ビーム結合器、偏光子、フィルタ、またはプリズムなどの光学構成要素を含むことができる。光学要素100は、外側本体部分104および内側本体部分106から構成された本体部分102を含む。概して、内側本体部分106は、光学要素の光学活性部分を含む。すなわち、内側本体部分のすべてまたは一部は、光学要素に入射する光を屈折、反射、または回折させるように構成される。たとえば、場合によって、内側本体部分106は、入射光を反射させるように構成された鏡面である。いくつかの実装形態では、内側本体部分106は、入射光を屈折させるレンズである。内側本体部分106はまた、入射ビームが光学要素100を通過することを可能にする開口120または他の開口部を含むことができる。特定の実装形態では、外側本体部分104は、取り付け基板など、光学要素100を別個の部分に取り付けるための取り付け部分を画定する。
図1Aに示すように、外側本体部分104は内側本体部分106を取り囲み、3つの接続部分/応力低減構造110を通って内側本体部分106に結合される。応力低減構造110は、光学要素100の本体を形成する材料内に直接一体化される。たとえば、光学要素100の本体部分102を構成する材料を彫刻して(たとえば、機械加工による)、応力低減構造110を形成することができ、したがって、本体部分102(外側本体部分104、内側本体部分106、および応力低減構造110を含む)は、単一の連続した構成要素であり、すなわち、本体部分102はモノリシックである。たとえば、本体部分102は、ガラス(たとえば、ショット社(Schott AG)のZerodur(登録商標)もしくはコーニング社(Corning)のULE(登録商標)ガラス)、セラミック、金属、ガラス・セラミック・マトリックス(たとえば、株式会社オハラのCLEARCERAM(登録商標))、石英、シリコン、ゲルマニウム、ベリリウム、または光学要素として使用するのに適した任意の他の材料などの材料から均一に構成することができる。
3つの応力低減構造110は、外側本体部分104内に生じる応力から内側本体部分106を分離する働きをする。外側本体部分104がたとえば取り付け構造に固定されているとき、取り付けの結果として外側本体部分104内で生じる応力は、内側本体部分106へ移らない。別法として、内側本体部分106へ移る応力が最小になる。したがって、外側本体部分104が取り付けられたときに変形する場合でも、内側本体部分106にかかる応力が許容できるレベルを超過することを回避することができる。その結果、光学要素100は、入射光との相互作用(反射、伝達、またはフィルタリングなど)のために使用される要素100の部分、たとえば内側本体部分106を変形させることなく、取り付け構造に直接固定することができる。これは、不十分なアスペクト比を有する光学要素、すなわち、厚さよりはるかに大きい幅または長さ(たとえば、厚さより約5倍大きい幅または長さ)を有する光学要素にとって、特に有用となることができる。
いくつかの実施形態では、応力低減構造110を「フレクシャ」または「撓みヒンジ」と呼ぶ。本開示の目的のため、撓みヒンジ(またはフレクシャ)は弾性かつ受動的な機械式デバイスであり、少なくとも2つの異なる部分を接続し、湾曲または捩じれによる異なる部分間の応力の伝達を制限する。たとえば、図1に示す撓みヒンジ110はそれぞれ、外側本体部分104を内側本体部分106に接続し、ヒンジの撓みによってモノリシック本体102の2つの異なる部分の相対的な運動を可能にする。典型的には、撓みヒンジは、一方の方向に柔軟であるが、他方の直交方向には比較的剛性である。湾曲の結果、撓みヒンジ110は、外側本体部分104上に生成された機械的および熱的に引き起こされた力から内側本体部分106を分離し、逆も同様である。
図1Bは、図1Aからの撓みヒンジ110の1つの頂面の拡大図を示す概略図である。ヒンジ110の中心を破線130で示し、この中心に沿ってヒンジは捩じれかつ/または撓む。撓みヒンジ110は、軸130の周りで容易に湾曲するように設計される。撓みヒンジ110は本質的に、光学要素100の外側本体部分104と内側本体部分106との間の経路を形成する。図1Bの平面図に示すように、撓みヒンジ110は、内側本体部分106と外側本体部分104との間の実質的に均一の方形領域を覆う。ヒンジ110の厚さは、紙面内へ(すなわち、z方向に沿って)延びる。
光学要素100を取り付け基板に取り付けるために、光学要素100は、外側本体部分104内に形成された任意選択の孔150を含むことができ、孔150を通って、ねじまたは他の締結構成要素により、光学要素を取り付け基板に固定することができる。他の取り付け手法には、たとえば、機械式クランプを使用して光学要素を取り付けることが含まれ、クランプは、外側本体部分104を取り付け基板に接触させて定位置で保持する。
図2Aは、光学要素を取り付けるための取り付け基板201の一例の平面図を示す概略図である。取り付け基板201は、光学要素を基板201へ締結するための締結具を受け取る複数の孔203を含む。いくつかの実装形態では、取り付け基板は、基板に取り付けられた光学要素との間を光が行き来することを可能にする開口部205を含む。基板201は、インバー、アルミニウム、鋼、またはプラスチックなど、光学要素を取り付けるのに適した任意の材料から形成することができる。基板201は、図2Aに示す円形の形状に限定されるものではなく、光学要素を取り付けるのに適した任意の形状を含むことができる。図2Bは、取り付け基板201に取り付けられた光学要素200の平面図を示す概略図である。光学要素200は、3つの撓みヒンジ210によってともに接続された外側本体部分204および内側本体部分206を有するモノリシック本体部分202を含む。図2Bに示すように、締結具260を使用して、光学要素200の外側本体部分204を取り付け基板201に締結することができる。概して、任意の標準的な光学機械式取り付けデバイスを使用して、光学要素を取り付け基板へ締結することができる。他の実装形態では、外側本体部分は光学活性部分を含み、内側本体部分は、取り付け基板に留め付けられる(たとえば、上記の取り付け技法の1つまたは複数を使用)。
圧締め、またはねじによる締結などの取り付け技法は、必ずしも常に基板に対する光学要素の相対的な運動を防止するとは限らず、実際には、機械的な応力によって光学要素を変形させることがある。さらに、光学要素は、取り付け基板と光学要素の熱膨張係数(CTE)が異なることによる形状の変化の影響を受けやすくなることがある。しかし、一体化された撓みヒンジを使用することで、上記の有害要因による光学要素の光学活性部分の変形を最小にすることができる。たとえば、取り付け基板および外側本体部分(取り付け基板に取り付けられる)を形成する材料の寸法が温度とともに変化するとき(CTEの不整合のため)、撓みヒンジは、湾曲によって外側本体部分内に生じる応力を吸収し、したがって内側本体部分が受ける応力を制限する。応力が収まると、撓みヒンジは元の応力を受けていない位置へ戻る。したがって、撓みヒンジにより、光学要素の光学活性部分の光学性能を劣化させることなく、光学要素のマウント部分(たとえば、外側本体部分)を別の部分に取り付けることが可能になる。たとえば、いくつかの実装形態では、ヒンジは、光学表面外形の劣化を指定の光学表面外形の約25%未満、指定の光学表面外形の約20%未満、指定の光学表面外形の約15%未満、指定の光学表面外形の約10%未満、または指定の光学表面外形の約5%未満に制限する。さらに、ヒンジは内側本体部分および外側本体部分と同じ材料から形成され、単体として一体化されるため、内側本体部分と外側本体部分との間のCTEの不整合のために普通なら生じるはずの応力によって引き起こされる変形がなくなる。
図1Aを再び参照すると、撓みヒンジ110は、いわゆる「径方向」の向きに配置される。すなわち、3つの撓みヒンジはそれぞれ、実質的に、モノリシック本体部分102の幾何学的中心105に対して径方向に沿って延びる。各フレクシャはまた、径方向に剛性であるが、径方向にフレクシャの中心の周りに延びる軸(すなわち、内側本体部分106から外側本体部分104へ延びる軸)の周りでは比較的柔軟である。すなわち、フレクシャは、径方向に延びる軸の周りで捩じれることができる。したがって、各ヒンジは、内側本体部分106および外側本体部分104に対して制限された量の捩じれ運動を呈することができる。追加として、撓みヒンジ110は、互いにほぼ等距離で配置される。ちょうど3つのヒンジをこのようにして配置することによって、内側本体部分106または外側本体部分104の運動を制約することができ、内側本体部分と外側本体部分との間の応力の伝達を制限することができる。対照的に、より少ないヒンジを用いると、内側本体部分106は、実質的な運動を受け、したがって光学要素の位置をシフトさせることがある。たとえば、2つの撓みヒンジを用いると、光学要素は、2つのヒンジ間の軸上で旋回および振動するはずである。4つ以上のヒンジを用いると、内側本体部分106は過度に制約されるはずであり、ヒンジは、外側本体部分104内に生じる応力を吸収するのに十分な柔軟性を有することができなくなる。
撓みヒンジの「径方向」の向きを、図3にも示す。具体的には、図3は、3つの撓みヒンジの輪郭を示す概略図であり、各ヒンジは、細長い部分が応力低減光学要素の内側本体部分と外側本体部分との間を径方向に沿って延びるように配置される。図3に示すように、各線360は、光学要素の幾何学的中心350から外方へ延びる線に対して平行に配置された撓みヒンジの長さを表す。フレクシャの向きの説明を助けるために、図3に円370を示すが、必ずしも実際の光学要素内の物体または構造を表すわけではない。
図1Aに示す例を再び参照すると、各撓みヒンジ110は、細長い間隙108によって、隣接する撓みヒンジから分離される。細長い間隙108は、本体部分102内の開口部であり、撓みヒンジ110間を延び、内側本体部分106からの外側本体部分104の物理的分離を提供する。細長い間隙108のより短い側が、光学要素100の中心から外方へ進む方向(すなわち、径方向)に沿って延びる。
細長い間隙108の開口部は、モノリシック本体部分102の厚さを通って全体に延びる。すなわち、開口部は、モノリシック本体部分102の頂面からモノリシック本体部分102の裏面へ延びる。図1Cは、図1Aの断面A−Aにおける光学要素100の切欠図を示す概略図であり、光学要素の厚さ全体を通る間隙の深さを見ることができる。モノリシック本体部分102の厚さ全体を通って延びるように間隙を形成することによって、外側本体部分104内に生じる応力は、ヒンジ110のみを通って内側本体部分106に到達するように制限することができる。
図1Aはまた、外側本体部分104と内側本体部分106との間に位置決めされた輪の中に、撓みヒンジ110および細長い間隙108が配置されることを示す。細長い間隙108および撓みヒンジ110を含む輪は、円形のパターンとすることができる(図1Aに示すように)。別法として、細長い間隙108および撓みヒンジ110を含む輪は、とりわけ長円形、方形、または正方形など、他の形状を有することもできる。
いくつかの実装形態では、細長い間隙108の1つまたは複数は、弧状の形状である。すなわち、細長い間隙108は、図1Aに示す間隙108など、弓、曲線、または不完全な環状スロットのような形状である。しかし、細長い間隙108は、曲線である必要はなく、他の形状をとることができる。たとえば、細長い間隙108は、実質的にまっすぐな線とすることができる。いくつかの実装形態では、細長い間隙108は、比較すると、狭い部分および比較的広い部分を有する。場合によって、細長い間隙108は、たとえば「S」字状の細長い間隙108のように、第1の方向に沿って延びる部分と、異なる方向に沿って延びる他の部分とを有する。原則的には、細長い間隙108は、モノリシック本体部分102内に製造することができる任意の形状を含むことができる。
モノリシック本体部分102は、均一の厚さを有することができ、したがって、内側本体部分106の厚さ(z軸に沿って判定される)は、外側本体部分104における厚さと同じである。他の実装形態では、モノリシック本体部分の厚さは不均一である。たとえば、場合によって、モノリシック本体部分102の厚さは、光学要素100の中心またはその付近で最も大きく、中心から離れると径方向に減少し(たとえば、単調にまたはその他の方法で)、したがって、少なくとも光学要素100の頂面(および/または底面)は、凸面の形状を呈する。別法として、光学要素100の中心における厚さを最小とすることができ、中心から径方向に沿って徐々に増大することができ、したがって、少なくとも頂面(および/または底面)は、凹面の形状を呈する。場合によって、撓みヒンジ110の少なくとも1つの厚さは、外側本体部分104および/または内側本体部分106の厚さと同じである。特定の実装形態では、撓みヒンジ110の少なくとも1つの厚さは、内側本体部分106および/または外側本体部分104の厚さとは異なる。たとえば、撓みヒンジ110は、外側本体部分104または内側本体部分106より薄くすることができる。場合によって、撓みヒンジ110は、モノリシック本体部分102の前面および/または裏面から撓みヒンジ110が位置する領域を機械加工することによって、内側本体部分および/または外側本体部分とは異なる厚さを有するように製作される。
図1Aのxy平面内で測定される面積および/もしくはその面積に対してヒンジ110が占める体積、ならびに/またはヒンジ110間の間隙が占める体積は、変動することができる。たとえば、いくつかの実装形態では、ヒンジの面積(体積)は、間隙が占める面積(体積)にほぼ等しい。別法として、図1Aに示すように、ヒンジ110が占める面積(体積)は、間隙108が占める面積(体積)よりはるかに小さい。たとえば、ヒンジが占める面積(体積)は、間隙が占める面積(体積)の1/3、間隙が占める面積(体積)の1/4、間隙が占める面積(体積)の1/6、間隙が占める面積(体積)の1/10、または間隙が占める面積(体積)の1/20とすることができる。撓みヒンジ110が狭すぎる場合、ヒンジ110は破損しやすくなることがある。光学要素100は、以下の例示的な寸法を有することができ、直径(xy平面内で測定)は約150mmであり、撓みヒンジ横断面積(深さはz軸に沿って測定)は約12mm2であり、細長い間隙の幅(xy平面内で測定)は約2mmであり、光学要素の平均厚さ(z方向内で測定)は約12mmである。
応力低減光学要素内で使用される撓みヒンジは、図1Aに示す形状に限定されるものではなく、他の構成を有することもできる。たとえば、いくつかの実装形態では、撓みヒンジは、柔軟な方向の湾曲を高めるために、その幾何学的中心に細いくびれ領域を含む。すなわち、ヒンジは、ヒンジが内側本体部分および外側本体部分と接する領域でより広くし、その間でより狭くことができる。別法として、ヒンジの長さは、内側本体部分から外側本体部分へ減少または増大することができる(単調にまたはその他の方法で)。他の形状も可能である。
撓みヒンジはまた、いわゆる「接線方向」の向きに配置することができる。すなわち、3つの撓みヒンジはそれぞれ、光学要素/モノリシック本体部分の幾何学的中心と同じ中心を有する円に対して実質的に接線方向に延びる細長い部分を有する。ヒンジが接線方向にある円は、必ずしも光学要素の実際の物理的構成要素であるというわけではなく、ヒンジの向きを判定するための架空の円を含むことができる。図4は、応力低減光学要素の内側本体部分と外側本体部分との間に接線方向構成で配置された撓みヒンジの向きを示す概略図である。フレクシャの向きの説明を助けるために、円470を示すが、必ずしも実際の光学要素内の物体または構造を表すわけではない。図4に示すように、各線460は、幾何学的中心450を有する円470上の異なる点に対して接線方向に配置された撓みヒンジを表す。この配置に対する簡潔な表現は、線460によって表されるフレクシャが幾何学的中心450に対して接線方向に配置されることである。
接線方向構成により、外側本体部分および/または内側本体部分から著しい量の材料を除去することを必要とすることなく、径方向構成の場合より撓みヒンジをはるかに長くすることが可能になる。たとえば、ヒンジ460と同じ長さを有するが径方向構成で配置された撓みヒンジは、増大させた長さに対応するために、外側本体部分および/または内側本体部分内で材料の著しい低減を必要とするはずである。さらに、接線方向構成で得ることができる増大させた長さにより、撓みヒンジの横断面をより大きくすることが可能になり、それによって、撓み性を犠牲にすることなく、ヒンジの構造強度が増大される。
接線方向の撓みヒンジ構成を含む応力低減光学要素500の一例を、図5Aに示す。図5Aは、光学要素500の平面図を示す概略図である。光軸は、紙面方向のz方向に対して平行である。光学要素500は、3つの撓みヒンジ510によって内側本体部分506に一体的に接続された外側本体部分504を有するモノリシック本体部分502を含む。内側本体部分506の光学活性領域は、この例では破線の円によって画定されているが、異なる方法で画定された領域を光学活性領域として使用することもできる。撓みヒンジ510は、接線方向構成では細長く、すなわち、光学要素500の幾何学的中心505と同じ中心を有する円に対して実質的に接線方向である方向に細長い。ヒンジ510は、径方向およびz方向には比較的柔軟であり、径方向およびz方向に直交する方向(すなわち、接線方向)には剛性である。その結果、ヒンジ510は、実質的に、内側本体部分506をxy平面に固定した状態で維持する。ヒンジ510の撓み性は主にz方向に沿っており、過度の光学表面外形の誤差を引き起こすことなく、外側本体部分504内の変形を、z方向に沿った内側本体部分106の傾き、傾斜、または運動(固体の運動)に変換する。内側本体部分506は、そうでない場合は、ヒンジ510によってxy平面内に実質的に固定される。径方向に構成された撓みヒンジの場合と同様に、ヒンジ510は、モノリシック本体部分502の幾何学的中心505の周りに互いに実質的に等距離で配置される。ちょうど3つのヒンジをこのようにして配置することによって、内側本体部分506をz方向に沿ってわずかな量の傾き、傾斜、または運動に制約することができる。対照的に、より少ないヒンジを用いると、内側本体部分106は、実質的な運動を受け、したがって光学要素の位置をシフトさせることがある。他方では、4つ以上のヒンジが使用される場合、内側本体部分506は過度に制約され、ヒンジは、外側本体部分504内に生じる応力を吸収するのに十分な柔軟性を有することができなくなる。
隣接する撓みヒンジ510とヒンジ自体を分離する細長い間隙508は、モノリシック本体部分502の中心505の周りの輪の中に配置される。各細長い間隙508は、第1の端部512および反対側の第2の端部514を含む。この例では、各細長い間隙508の第1の端部512は、隣接する細長い間隙508の第2の端部514に径方向に部分的に重複する。撓みヒンジ510は、細長い間隙508の重複部分間の領域内に位置し、撓みヒンジ510の第1の側は、内側本体部分506に一体的に接続され、ヒンジ510の第2の反対側の側は、外側本体部分に一体的に接続される。
この例では、間隙508を形成する開口部の第1の端部512は、撓みヒンジ510が位置する領域内で「く」の字状に弧から逸脱する。図5Bは、図5Aからの撓みヒンジ510aの拡大図を示す概略図である。接線方向のフレクシャ510を用いて得ることができるのと同じレベルの分離を内側本体部分506に対して実現するために、接線方向の撓みヒンジ510の径方向の範囲と比較すると、径方向のフレクシャは、非常に薄くまたは径方向にはるかに長くしなければならないはずである。撓みヒンジが薄すぎることで、ヒンジは処理、取扱い、および出荷中に破損しやすくなるはずである。追加として、径方向により長い撓みヒンジは、ヒンジ長さの増大に対応するために、より大きい外側本体部分またはより小さい内側本体部分を必要とする。空間の利用可能性が設計上の制約である応用分野では、接線方向の撓みヒンジは、有利には、径方向に配向された撓みヒンジより小さい面積を犠牲にし、構造上の完全性をよりよくしながら、改善された撓み性を提供する。
撓みヒンジ510は、モノリシック本体部分502の中心505と同じ中心を有する円に対して完全な接線に沿って延びる必要はない。図5Aおよび図5Bに示すように、ヒンジ510は、実際には、内側本体部分506の円形の形状にしたがって(たとえば、方位角に沿って)わずかな湾曲を有し、したがって、ヒンジは、モノリシック本体部分502の幾何学的中心505に対して実質的に接線方向に延びる。いくつかの実装形態では、実質的に接線方向の撓みヒンジは、光学要素の幾何学的中心と同じ中心を有する円に対する接線の約30度の範囲内の方向に沿って延びる。別法として、いくつかの実装形態では、撓みヒンジは、径方向構成と実質的に接線方向構成との間の角度で配置される。たとえば、いくつかの実装形態では、ちょうど3つの撓みヒンジはそれぞれ、接線方向から約30度より大きく接線方向から90度より小さい方向に沿って延びる(たとえば、ヒンジの細長い部分は、接線方向から約45度の方向に沿って延びる)。いくつかの実装形態では、撓みヒンジは、実質的に径方向構成に配置される(たとえば、ヒンジの細長い部分は、径方向から約30度の範囲内の方向に沿って延びる)。
光学要素の応力低減能力をさらに高めるために、撓みヒンジは、z方向(たとえば、図1A、図2A、および図5Aに示す座標系内で紙面に出入りする方向)に位置決めすることができ、したがって撓みヒンジの断面中心は、公称では、光学要素の中立面、すなわち、光学要素の質量中心に対応する平面内にある。中立面とは、光学要素の外縁部に印加される負荷が形状に与える影響が最小になる位置である。中立面においてヒンジを中心に位置決めすることで、振動に対する反応も改善される。接続点間で質量中心を保つことによって、ヒンジの固有振動数が可能な限り高く保たれる。さらに、撓みヒンジを公称では中立面に配置することによって、外側本体部分の動きによって引き起こされる内側本体部分の運動(全体的な本体の運動)を最小にすることもできる。
図5Cは、図5Aの断面A−Aの斜視図を示す概略図である。図5Cに示すように、撓みヒンジ510は、光学要素500の中立面(破線530で示す)においてほぼ中心に位置合わせされる。追加として、撓みヒンジ510aの厚さは、光学要素500の内側本体部分506および外側本体部分504の厚さ未満である。撓みヒンジ510を内側本体部分および/または外側本体部分より薄くする利点は、撓みヒンジがより柔らかくなり、したがってより容易に湾曲することである。しかし、同時に、撓みヒンジを薄くすることで、ヒンジは破損の影響しやすくなることがある。
細長い間隙508および撓みヒンジ510の設計は、同様に、他の方法で変更することができる。たとえば、図5Cに示すように、撓みヒンジ510の頂面は、外側本体部分506上に形成された棚580と同じ平面内に位置することができる。この例では、棚580は、突出する縁部であり、光学要素500の頂面から固定の深さまで、外側本体部分504から材料を除去することによって形成することができる。同様に、内側本体部分506上に棚状突起590を形成することができる。棚状突起590の一例を、図5Cおよび図5Dに示す。図5Dは、図5Aの光学要素500の断面B−Bの斜視図を示す概略図である。棚状突起590は、光学要素500の裏面から固定の深さまで、内側本体部分506から材料を除去することによって形成することができる。特定の実装形態では、棚状突起590および/または棚580を形成することで、光学要素500を取り付けるのを助けることができる。図5Cと図5Dの両方に示すように、棚状突起590および棚580を形成する前面および裏面のスロットは、わずかに異なる直径である。これにより、内側本体部分506および外側本体部分504からの材料を除去しながら、開口部を合理的に標準的な機械加工処理に十分な広さのままにすることが可能になる。棚状突起590および棚580を形成する溝は、互いの中へ入り込んで細長い間隙508を形成し(すなわち、間隙がモノリシック本体部分の前面から裏面へ連続して延びる)、各溝のプロファイルは、完全な円である。
図5A〜5Dに示す撓みヒンジ510は、以下の例示的な寸法を有することができ、横断面積(zx平面内で測定)は約16mm2であり、撓みヒンジの長さ(xy平面内で測定)は約16mmである。
他の接線方向の撓みヒンジ設計も可能である。図6は、別の接線方向構成で3つの撓みヒンジ610を用いる応力低減光学要素600の一例の平面図を示す概略図である。光学要素600は、撓みヒンジ610を通って内側本体部分606に接続された外側本体部分604から構成されたモノリシック本体部分602を含む。隣接する撓みヒンジ610とヒンジ自体を分離する細長い間隙608は、モノリシック本体部分602の中心の周りの輪の中に配置される。各細長い間隙608は、第1の端部612および反対側の第2の端部614を含む。この例では、各細長い間隙608の第2の端部614は、隣接する細長い間隙608の第1の端部612に径方向に部分的に重複する。撓みヒンジ610は、細長い間隙608の重複部分間の領域内に位置し、撓みヒンジ610の第1の側は、内側本体部分606に一体的に接続され、ヒンジ610の第2の反対側の側は、外側本体部分に一体的に接続される。
図6に示す設計には、様々な修正を加えることができる。たとえば、細長い間隙608は、曲線ではなく、実質的にまっすぐにすることができ、または間隙幅は、間隙608の長さ全体にわたって不均一にすることができる(図1Aに示す間隙108の弧長にわたって幅が一定であることとは異なる)。別法または追加として、撓みヒンジは、実質的に、内側本体部分の周りに延びる。たとえば、図7は、外側本体部分704と、内側本体部分706と、外側本体部分704を内側本体部分706へ結合する3つの撓みヒンジ710とから構成されたモノリシック本体部分702を有する応力低減光学要素700の一例の平面図を示す概略図である。見やすいように、破線を使用してヒンジの輪郭を示す。図7に示すように、各撓みヒンジ710は、実質的に内側本体部分706の周りを延びる曲線の形状を有する。さらに、各ヒンジ710の両端部711、713は、ヒンジ710の中間部分の方へ幅が増大する(幅は径方向に沿って測定)。ヒンジ710の各端部は、隣接するヒンジの端部に径方向に重複する。同様に、ヒンジ710を分離する細長い間隙708はまた、両端部で狭く中間でより広い形状を有する。追加として、端部711、713のうち、内側本体部分706および外側本体部分704に一体的に接続される部分は、支えのない中間部分715よりはるかに長い(方位角方向に測定)。
一体化されたフレクシャを含む光学要素は、他の設計も同様に有することができる。たとえば、いくつかの実装形態では、径方向に配向された撓みヒンジの細長い側は、実質的に、外側本体部分内へ延びることができる。その設計の一例を、図8に示す。図8は、外側本体部分804と、内側本体部分806と、外側本体部分804を内側本体部分806に接続する3つの撓みヒンジ810と、細長い間隙808とを有するモノリシック本体部分802を含む光学要素800の一例の平面図を示す概略図である。各撓みヒンジ810の細長い部分は、モノリシック本体部分802の幾何学的中心に対して径方向に位置合わせされる。図8に示すように、外側本体部分804は、撓みヒンジ810の長さ811に対応するのに十分なほど大きくしなければならない。さらに、図1Aの径方向の撓みヒンジ設計または図5Aの接線方向のヒンジ設計と比較すると、実質的により多くの材料を外側本体部分804から除去しなければならない。
上記の実装形態は、略円形の形状を有する光学要素を含む。しかし、光学要素は、円形の設計に限定されるものではない。代わりに、内側本体部分および/または外側本体部分を含む光学要素の設計は、他の円形以外の形状を有することができる。図9は、三角形の形状のモノリシック本体部分902を有する光学要素900の一例の平面図を示す概略図である。モノリシック本体部分902は、外側本体部分904と、内側本体部分906と、外側本体部分904を内側本体部分906に接続する3つの撓みヒンジ910と、細長い間隙908とを含む。撓みヒンジ910は、モノリシック本体部分902のほぼ幾何学的中心905の周りで互いに等距離の点に配置される。撓みヒンジ910は、外側本体部分904または内側本体部分906から印加される力を受けると、カンチレバー状の運動を呈する。たとえば、ヒンジ910は、矢印920の方向にz方向に沿って外側本体部分904に対して比較的柔軟であるが、ヒンジの細長い側に対して平行な軸の方向には比較的剛性である。その結果、内側本体部分906は、わずかな量の傾き、傾斜、またはz方向の運動に制約される。図1Aおよび図5に示す実装形態とは対照的に、撓みヒンジ910は、中心905に対して径方向構成と接線方向構成との間に配向されている。
図10は、正方形の形状のモノリシック本体部分1002を有する光学要素1000の平面図を示す概略図である。モノリシック本体部分1002は、外側本体部分1004と、内側本体部分1006と、外側本体部分1004を内側本体部分1006に接続する3つの撓みヒンジ1010と、細長い間隙1008とを含む。撓みヒンジ1010は、モノリシック本体部分1002のほぼ幾何学的中心1005の周りで互いに等距離の点に配置される。図9に示すヒンジ910と同様に、撓みヒンジ1010は、カンチレバー状の運動を呈する。たとえば、ヒンジ1010は、矢印1020の方向にz方向に沿って外側本体部分1004に対して比較的柔軟であるが、ヒンジの細長い側に対して平行な軸の方向には比較的剛性である。その結果、内側本体部分1006は、わずかな量の傾き、傾斜、またはz方向の運動に制約される。撓みヒンジ1010は、中心1005に対して接線方向に配向されている。
以上で提示した例示的な設計は、内側本体部分の周りを完全に延びる外側本体部分を含んでいたが、外側本体部分が内側本体部分の周りを部分的に延びる代替の構成も可能である。たとえば、図11は、内側本体部分1106と、3つの別個の区間1104a〜1104cを含む外側本体部分と、外側本体部分区間1104a〜1104cを内側本体部分1104にそれぞれ接続する3つの撓みヒンジ1110a〜1110cとを有するモノリシック本体部分1102を含む光学要素1100の一例の平面図を示す概略図である。図11に示す設計は、図10の設計と同様に機能するが、外側本体部分のうち、締結具またはクランプを使用して光学要素を取り付け基板に取り付けることができる領域が低減されていることを除く。
本明細書に記載の実装形態のいずれか1つによる光学要素は、コンピュータ数値制御(CNC)式のダイヤモンド研削具を使用して製作することができ、先端にダイヤモンドが付いている研削具を使用して、モノリシック本体部分内に開口部を形成する。所望の最終設計に応じて、孔は、モノリシック本体部分の厚さ全体を通って延びることができ、またはモノリシック本体部分の厚さの一部のみを通って延びることができる。本明細書に記載の光学要素は、モノリシック本体部分から形成されるため、光学要素の組み立ては不要である。
本明細書に記載の光学要素は、多くの異なる応用分野で使用することができ、特に、マイクロリソグラフィシステムおよびその中の投影光学系など、高性能の応用分野で使用することができる。本明細書に記載の光学要素はまた、光学性能に対して分解能および歪みが重要である他の高精度の応用分野で有用となることができ、たとえば、空間的制約のために光表面形状が著しい難題となる可能性がありかつ/または重量の制約が厚さと開口寸法のアスペクト比に悪影響を与えるウェーハ/チップ検査工具などで、空間光学系または鏡として有用となることができる。
いくつかの実装形態について説明してきた。それにもかかわらず、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な修正を加えることができることが理解されよう。たとえば、様々な応力低減光学要素設計は、本明細書に記載の実装形態のいずれかから、特徴の1つまたは複数を使用して構築することができる。いくつかの実装形態では、応力低減光学要素は、光学要素の反射率を高めるために、モノリシック本体部分上に形成された被覆を含むことができる。たとえば、モノリシック本体部分の前面および/または裏面上に薄膜のアルミニウム、金、および/または銀を堆積させることができる。いくつかの実装形態では、反射率を高めるために、モノリシック本体部分の前面および/または裏面上に、複数の薄い誘電体材料層を堆積させることができる。これらの層に対して選択された厚さ、誘電率、および/または材料に応じて、スタックは、1つまたは複数の所望の波長および異なる角度で入射光を反射するように設計することができる。たとえば、誘電体スタックは、可視範囲(たとえば、約300nm〜約700nm)、紫外範囲(たとえば、約10nm〜約300nm)、または赤外範囲(たとえば、約700nm〜約0.3mm)などの波長範囲から光を反射するように設計することができる。誘電体スタックはまた、同様に、特定の波長の光を異なる角度で伝達することを可能にするように設計することができる。誘電体スタックに対する一般的な材料には、たとえば、フッ化マグネシウム、二酸化ケイ素、五酸化タンタル、硫化亜鉛、および二酸化チタンが含まれる。いくつかの実装形態では、本明細書に記載の光学要素は、特定の波長の光の反射を最小にするために、被覆を含むことができる。反射層および/または誘電体スタックは、物理気相堆積、化学気相堆積、イオンビーム堆積、分子線エピタキシ、およびスパッタ堆積などの一般的な技法を使用して堆積させることができる。
したがって、他の実装形態も以下の特許請求の範囲の範囲内である。
Claims (16)
- モノリシック本体部分を有する光学要素であって、
該モノリシック本体部分が、
内側本体部分と、
該内側本体部分の周りに少なくとも部分的に延びる外側本体部分と、
該内側本体部分を該外側本体部分に接続するちょうど3つの撓みヒンジとを備え、
該内側本体部分および該外側本体部分の一方が、光を反射、屈折、または回折するように構成された光学活性部分を画定し、
該内側本体部分および該外側本体部分の他方が、マウント部分を画定する、光学要素。 - 前記ちょうど3つの撓みヒンジにより、前記光学活性部分の光学性能を劣化させることなく、前記マウント部分を別の部分に取り付けることが可能になる、請求項1に記載の光学要素。
- 前記内側本体部分が前記光学活性部分であり、前記光学活性部分が鏡である、請求項1に記載の光学要素。
- 各撓みヒンジが、前記内側本体部分と前記外側本体部分との間の間隙によって、隣接する撓みヒンジから分離される、請求項1に記載の光学マウント。
- 前記撓みヒンジの少なくとも1つおよび前記間隙の少なくとも1つが、弧状の形状である、請求項4に記載の光学要素。
- 前記間隙の少なくとも1つが、前記撓みヒンジの少なくとも1つの弧長より長い弧長を有する、請求項5に記載の光学要素。
- 各間隙が、前記モノリシック本体部分の厚さを通って前記モノリシック本体部分の第1の表面から前記モノリシック本体部分の反対側の第2の表面まで延びる、請求項4に記載の光学要素。
- 各間隙が、第1の端部部分および反対側の第2の端部部分を有し、第1の間隙の該第1の端部部分が、隣接する間隙の該第2の端部部分に径方向に重複する、請求項4に記載の光学要素。
- 前記第1の間隙の前記第1の端部部分と前記隣接する間隙の前記第2の端部部分との間に、第1の撓みヒンジが位置する、請求項8に記載の光学要素。
- 前記第1の撓みヒンジの厚さが、前記内側本体部分の厚さ未満および前記外側本体部分の厚さ未満である、請求項9に記載の光学要素。
- 前記第1の撓みヒンジの頂面が、前記内側本体部分および前記外側本体部分の頂面に対して凹んでおり、前記第1の撓みヒンジの底面が、前記内側本体部分および前記外側本体部分の底面に対して凹んでいる、請求項10に記載の光学要素。
- 前記外側本体部分が、前記第1の撓みヒンジに一体的に結合された棚部分を含む、請求項9に記載の光学要素。
- 前記内側本体部分が、前記第1の撓みヒンジに一体的に結合された張り出し部分を含む、請求項9に記載の光学要素。
- 各間隙の前記第2の端部部分が、前記間隙の前記第1の端部部分から径方向にずれている、請求項9に記載の光学要素。
- 少なくとも1つの撓みヒンジが、前記モノリシック本体部分の厚さ未満の厚さを有する、請求項1に記載の光学要素。
- 前記モノリシック本体部分の厚さが、前記モノリシック本体部分の幾何学的中心から径方向に沿って減少または増大する、請求項1に記載の光学要素。
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