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

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。

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、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、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、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、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、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。

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。

一体化された撓みヒンジを有する応力低減光学要素の一例の平面図を示す概略図。 図１Ａに示す光学要素の撓みヒンジの１つの頂面の拡大図を示す概略図。 図１Ａに示す光学要素の切欠図を示す概略図。 光学要素を取り付けるための取り付け基板の一例の平面図を示す概略図。 取り付け基板に取り付けられた光学要素の平面図を示す概略図。 径方向構成に配向された撓みヒンジの輪郭を示す概略図。 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。 一体化された撓みヒンジを有する応力低減光学要素の一例の平面図を示す概略図。 図５Ａに示す光学要素からの撓みヒンジの拡大図を示す概略図。 図５Ａの断面Ａ−Ａの斜視図を示す概略図。 図５Ａの光学要素の断面Ｂ−Ｂの斜視図を示す概略図。 一体化された撓みヒンジを有する応力低減光学要素の一例の平面図を示す概略図。 一体化された撓みヒンジを有する応力低減光学要素の平面図を示す概略図。 一体化された撓みヒンジを有する応力低減光学要素の平面図を示す概略図。 一体化された撓みヒンジを有する応力低減光学要素の平面図を示す概略図。 一体化された撓みヒンジを有する応力低減光学要素の平面図を示す概略図。 一体化された撓みヒンジを有する応力低減光学要素の平面図を示す概略図。

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１２ｍｍ^２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１６ｍｍ^２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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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。
14. 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。
15. 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。
16. 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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