JP5816008B2

JP5816008B2 - バイモルフ光学素子

Info

Publication number: JP5816008B2
Application number: JP2011153623A
Authority: JP
Inventors: カレジャン−フランソワ
Original assignee: Europeenne de Systemes Optiques Ste
Current assignee: Europeenne de Systemes Optiques Ste
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2015-11-17
Anticipated expiration: 2031-07-12
Also published as: JP2013020110A

Description

本発明は、反対に作動される圧電セラミック製の能動素子により制御されるバイモルフ光学素子を提供する。

特許文献１は、電極を有し、中央コアにより離間する２つのセラミック層をなすバイモルフミラーに関する。

このようなミラーは、２つのいわゆる「スキン」層を有する積層構造の形で構成されており、少なくともその１つはミラーとして使用されており、２つのセラミック層と中央コアが２つのスキン層の間に挟まれている。

積層構造を実施することは、比較的複雑で困難である。

バイモルフミラーに使用される積層構造のコンセプトは、このミラーの寸法もセラミック素子の寸法およびその倍数に制限してしまい、積層構造の存在によりミラーの研磨の質が制限されてしまう。

従来技術において公知の解決策は常に、作用する光学面と平行の面へのセラミック素子のアセンブリに基づいていた。

いかなる状況においても、セラミックは光学面と平行の面に接着されて、光学面に対して垂直な方向に積層される構造となる。

これは、特許文献２にも該当し、ここではセラミックは光学面と対向する面に接着される。

セラミック棒がバイモルフである、すなわち棒が連続的に接着される２つのセラミック片を備える場合、アセンブリの温度が変化するとバイメタルの効果により安定性が制限されてしまう。

また、変形可能であるミラーの寸法が、セラミック素子の寸法より大きい場合（市販のセラミックの寸法は限られているため頻繁にあることだが）、製造者は、必要な寸法を得るために複数のセラミック片の端と端をつなげる必要があり、特許文献２では、このセラミック片の間の接合点は、ミラーの非光学面である後面に位置するが、ミラーの曲率を変更するためにセラミックに圧力がかかるとこの不連続性が明らかになる。

欧州特許出願ＥＰ１７２３４６１文献ＥＰ１８３５３０２

本発明は、少なくとも部分的には、このような積層構造をなしてはおらず、この構造が圧電素子を含む際に、光学素子に対して圧電素子が横方向に配置される構造を採用することにより、上述の短所の少なくとも１つを回避しようとするものである。

したがって本発明は、変形可能である光学素子と、電極を備える圧電セラミックからなる能動素子とを備えるバイモルフ光学装置を提供し、上記素子は２つ１組で反対に制御され、これにより１組の第１素子の圧縮運動と、１組の第２素子の伸張運動とを生じさせ、この装置は、光学素子が光学活性の第１主表面と、第１主表面と対向する第２主表面とを少なくとも第１と第２の対向する側面と共に備えることと、セラミック能動素子が、上記第１および第２側面上で相互に対面して配置される少なくとも２組の圧電セラミックの棒を備え、各組が、光学素子の中立軸をなす中央表面のいずれかの側で第１および第２側面の一方に配置される２つの棒を有することと、を特徴とする。

本発明の装置では、上述の原理は、これが変形可能である光学素子の中立軸のいずれかの側に配置される対向するセラミックの組から構成され、これにより一方の素子が圧縮、他方の素子が伸張、およびその逆というように反対に作動させられるため、必然的にバイモルフである。

また、セラミックは光学面に平行の面に、または光学面に平行の面の間にではなく、横方向側面に接着される。したがって、これは積層構造ではない。

特許文献２に説明される装置のような従来技術の装置とは異なり、セラミックの曲率がミラーの湾曲にはもはや直接使用されることはない。

セラミック棒は、光学素子側面に、それら自らの側面を介して接着される。従来技術では、接着面は平坦ではなく、ミラーが曲げられる曲率に沿っていた。

本発明では、棒の側面は平坦なままであり、セラミック棒の作動によりその長さの変更が生じる。長さが変えられた棒の作用により、湾曲が生じさせられる。ミラーの側面の棒の作動により生じた湾曲は、期待に反して、ミラーの中央に対して均一に広がる。

したがって本発明は、新たな機能分析から生じるものである。

この構造は、複数の長所も有する。

最も重要なことは、セラミック素子が外側面に配置されており、これにより特許文献１に説明される積層構造と比較すると、中立軸のいずれかの側にこれから可能な限り離れて配置され、ミラーに対する作用が最大化されることが可能になることである。

セラミックとミラーとの間の接続が改良されたため、ミラーの湾曲時における正確性および安定性が向上する。

セラミックは光学面下または上にはないため、セラミック素子の間の接続部はより見えにくくなり、このような接続部はミラーの幅全体に亘って滑らかになる。

特許文献２の説明とは対照的に、本発明の構造は、光学素子の中立軸に対して対称であり、バイメタルによる熱的効果が回避され（工業用の棒が、相互に接着されている複数のセラミック素子からなる場合でも）、これにより優れた熱安定性が得られる。

後面にセラミック（モノモルフまたはバイモルフ）を使用する解決策は優れた対応ではなく、作動の幅も小さく、バイメタルの熱的効果にさらされてしまうため、これらの長所は従来のミラーがバイモルフミラーに変形される際に特に重要である。

少なくとも１つの制御バーが、上記の主表面と同一平面上にある面を有することが可能である。

装置は、少なくとも１つの主表面が、第１および第２側面に直線部に沿って交差することと、上記セラミック棒の少なくともいくつかは直線状であり、上記の直線部に平行に配置されることとを特徴とし得る。

装置は、少なくとも１つの主表面が、第１および第２側面に凹部または凸部である曲線部に沿って交差することと、上記セラミック棒の少なくともいくつかは直線状であり、上記曲線部の平均方向に平行に配置されることと、を特徴とし得る。

装置は、少なくとも１つの主表面が、第１および第２側面に凹部または凸部である曲線部に沿って交差することと、上記セラミック棒の少なくともいくつかは湾曲しており、上記曲線部に沿うよう配置されることと、を特徴とし得る。

少なくとも１つのセラミック棒は、端と端が接続されて配置される、および／または重ねられて配置される少なくとも２つの圧電セラミック素子を備え得る。

有利には、光学素子は直方体であり、好適には形状は正方形または長方形であり、素子が長方形の場合は、第１および第２側面はその長辺に沿って延伸する。

直方体の幅lに対する長さＬの比率は有利には、１から１００の範囲内にあり、より具体的には３から５０の範囲内、好適には３から２５の範囲内にある。

幅lはたとえば、１０ミリメートル（ｍｍ）から８０ｍｍの範囲内にあり得る。

長さＬはたとえば、４０ｍｍから１５００ｍｍの範囲内にあり得る。

光学素子の厚さｅはたとえば、５ｍｍから１００ｍｍの範囲内にあり得る。

光学装置はまた、第３および第４の対向する側面上に同様に配置される圧電セラミックの上記の棒の組を少なくとも２つ含み得る。

本発明の装置は、単に２つまたは４つの側面に取り付けられるだけの反対に作動する圧電アクチュエータの実施であるため、変形可能であるあらゆる光学装置と共に実施可能である。

例として、光学素子は、少なくとも第１主表面が研磨される鏡体であり得る。

例として、光学素子は、少なくとも第１主表面が少なくとも１つの格子パターンをなす回折格子であり得る。

本発明のその他の特徴および長所は、以下の説明を図面と共に参照することによりさらに明らかになる。

図１は、本発明の装置、たとえばミラーの斜視図である。図２は、図１の側面図である。図３は、棒が光学素子の表面からオフセットしている変形例である。図４ａおよび図４ｂは、電極対の２つの異なる実施形態である。図５は、４つの側面に実装された電極対を示す。図６ａから図６ｃは、少なくとも１つの主表面が湾曲している異なる実施形態である。

図１は、長方形の長辺に沿った２つの主側面２および３と、２つの端部の側面４および５とを備える長方形の変形可能な光学素子１を示している。上面６は光学的機能を担い、たとえばこれは長手方向および／または横方向で平坦または湾曲（凹形または凸形）しているミラーを形成するよう研磨されているか、またはたとえば長方形の長い側面に対して垂直または平行である線を有する１つまたはそれ以上の格子バターンを備え、これにより長手方向および／または横方向で平坦または湾曲（凹形または凸形）し、反射または回折で機能する回折格子を形成する。

側面２は、（平面６および７が平坦であるか、わずかにのみ湾曲している場合に）中立軸を画定する光学素子１の中央平面Ｐ（図２において一点鎖線で示される）に対して略平行であり、好適には対称的に離間する圧電棒の第１の組２１、２２を支持する。同様のことが、側面３に固定される棒３１および３２に関しても該当する。少なくとも１つの面が湾曲している場合、中立軸は平坦でない中央面である。

表面６は、平面、円筒形、トロイダル形、球形または非球面（たとえば楕円形、放物線形または双曲線形）であることができ、したがって一定または一定ではない曲率半径を有する。図示される実施例では、面６は平面であり、直線部６_２、６_３、６_４、６_５により画定される。

底面７は任意で光学機能を備えることが可能であり、上面６と同様に、平面であるか、または湾曲（凹形または凸形）していることが可能である。

面６（および／または７）の曲率半径は、圧電棒を支持していない方向（ここでは横面４および５）でたとえば１０ｍｍから∞（平面）の範囲にあり、圧電棒を支持している方向（ここでは長手方向面２および３）で１００ｍｍから∞の範囲である。

この曲率は、正方形の光学素子１に関しても実施可能である。

曲率は、圧電素子の組２１、２２、３１、３２により生じる曲率と同じ方向に向けられるか、またはこれに対して垂直である。

各棒２１、２２、３１、３２は、圧電セラミックの１つの部材、または端と端が接続されて配置される複数の部材からなる。

これらの圧電棒２１、２２、３１、３２は、好適には面６および７と同一高さであり、中立軸からこれらを可能な限り離間させ、これにより棒に与えられる所定の制御信号で光学素子１の最大曲率が得られ、その一方で棒の接着部の応力が最小化される。

棒２１および２２は対抗するため、たとえばそれらの電極（不図示）に同じ制御信号が与えられると、図２に示されるように、棒２１では圧縮、棒２２では伸張、またはその逆が生じる。図２は、平面から始まる凹面である形状Ｃを設けるように、光学活性面６の曲率を変更するための光学素子１の曲率を（誇張して）示す図である。

凹面または凸面である面６から開始する場合、変化の幅を修正することなく曲率の変更の範囲をずらすことが可能である。

棒２１、２２、３１、３２は、側面２および３に接着される。これらは好適には、この面の長さ全体に亘って延伸する。ミラーでは、面６の研磨後に接着が行われ、それにより、特に部品１は単一の部材のため製造が容易になる。

この特徴により、既存のパッシブミラーをアクティブミラーに変形することが可能になるが、これは積層構造では不可能である。

その他の光学素子、特に回折格子では、圧電棒２１、２２、３１、３２は、面６の仕上げ後に、すなわちここに光学的特性が与えられた後に、接着され得る。

積層構造のミラーと比較すると、使用されるセラミック部材はミラーの表面を覆わないため、より小さくなっており、コストが低減される。したがってその寸法は、曲率に望ましい値に構成される。たとえば、棒は２ｍｍから３０ｍｍの範囲内にある幅l_０と、２ｍｍから３０ｍｍの範囲内にある高さｈ_０とを有することが可能である。また、ミラーを構成する表面薄層の下に電極がないため、電極間の接続部による局所的な変形がもはや発生することがない。

光学素子１は、光学において適切であるあらゆる材料で作られ得る。たとえば、ガラス、シリカ、シリコン、炭化ケイ素、ゲルマニウム、レーザーガラス、ＺｎＳおよびＺｎＳｅ、金属である。

図３は、セラミック棒２１、２２、３１、３２が、たとえば１０ｍｍより小さい、たとえば０．１ｍｍから４ｍｍの範囲内にある距離ｄにより、面６および７から離間している変形例を示している。これは、面６が凹面または凸面である際に特に適している。

図４ａおよび図４ｂは、端と端が接続されて配置される（図４ａ）および／または重ねられる（図４ｂ）（符号２１、２１’、２２、２２’）各棒２１_１、２１_２、２１_３、２２_１、２２_２、２２_３、３１_１、３１_２、３１_３等を有する発明の変形の実施形態を示している。

複数の圧電セラミック棒が、端と端が接続されて共に接着される際（長いミラー用）、光学素子１の側面２および３に形成される接続部は、光学活性面６の平面構造に不具合を生じさせない。そのような不具合が、時間が経過してから生じることもあり得ない（図４ａ）。

棒２１、２２、３１、３２は、接着される２つの個別の棒を重ね合わせることにより形成され得る（図４ｂ）。

図５は、正方形または長方形である光学素子１の面４および５に接着され、好適には面６および７が平面またはわずかに湾曲している場合に中立軸をなす中央面Ｐで対称に離間される追加的な圧電棒４１、４２、５１、５２を有することにより、垂直の２つの軸に沿って湾曲され得るバイモルフミラーを示す。これらの棒４１、４２、５１、５２は、面６および７と好適には同一平面上にあるか、または図３に示されるように、そこからオフセットされる面を有する。面６および／または７は、圧電素子の組により生じる曲率の１つまたは２つの方向に、またはその方向に対して垂直に平坦である、または湾曲していることが可能である。曲率半径は、１００ｍｍから∞の範囲内にあり得る。

２組の側面の圧電アクチュエータによるダブルアクチュエーションは、正方形または長方形の形を有する光学部品での使用に特に適している。Ｌ／lの比率は、１（正方形）から５の範囲内にあり得る。

図６ａは、長手方向および横断方向いずれでも凹面である、研磨された上面６を備えるミラーを示している。棒２１、２２、３１、３２は、直線状であり、長手方向に配置されている。

これらは相互に平行であり、上面６と側面２または３の接点である曲線部６２または６３の平均方向に向けられている。曲線部６４および６５は、それぞれ上面６と側面４および５との間の接点に対応する。図示される実施例では、この方向は底面７と平行であり、この面は平面であるが、これは長手方向および／または横断方向に凸面または凹面でもあってもよい。この方向は、特に放物線または双曲線の形である曲線部に関しては、頂点Ｓにおける接平面と略平行である。この構成は、上面６が長手方向にのみ湾曲している場合にも同様に実施し得る（図６ｂ）。上面６と側面４および５との交差はその際、直線部６_４および６_５に沿って生じる。

図６ｃは、長手方向に凹面である研磨された上面６を有するミラーを示している。面６に隣接する棒２１０および３１０は、上面６と側面２または３との接点である曲線部６２または６３に沿う。棒２２および３２は直線状であり、底面７と平行である長手方向に沿って延伸する。図示される実施例では、棒２１および３１は、上面６から上記の距離ｄにより離間される。これらは、曲線部と同一平面上にあってもよい。

したがって、直線状のまたは曲線状の棒は、直線部（６_２、６_３、６_４、６_５）または曲線部（６２、６３、６４、６５）に、一定であるか、またはそれ以外の、ただし１０ｍｍ以下、特に４ｍｍの距離ｄで、接近して沿うように配置される。

Claims

変形可能である光学素子と電極を備える圧電セラミック製の能動素子とを備え、１組の第１素子に関して圧縮運動を、１組の第２素子に関しては伸張運動を生じさせるよう、前記素子が対で反対に制御されるバイモルフ光学装置において、装置が、光学素子（１）が光学活性の第１主表面（６）と、第１主要面に対向する第２主表面（７）とを、少なくとも第１および第２の対向する側面（２、３）と共に備えることと、セラミック能動素子が、前記第１および第２側面（２、３）上で相互に対面する少なくとも２組の圧電セラミック棒（２１、２２；３１、３２）を備え、各組が光学素子（１）の中立軸をなす中央面のいずれかの側で第１および第２側面（２、３）の一方に配置される２つの棒（２１、２２；３１、３２）を備えることと、を特徴とするバイモルフ光学装置。
前記主表面（６、７）の少なくとも１つが、第１および第２側面（２、３）に直線部（６_２、６_３、６_４、６_５）に沿って交差することと、前記セラミック棒（２１、３１）の少なくともいくつかが直線状であり、直線部に平行に配置されることと、を特徴とする、請求項１記載のバイモルフ光学装置。
前記主表面（６、７）の少なくとも１つが、第１および第２側面（２、３）に凹部または凸部である曲線部（６２、６３、６４、６５）に沿って交差することと、前記セラミック棒（２１、３１）の少なくともいくつかが直線状であり、前記曲線部の平均方向に平行に配置されることと、を特徴とする、請求項１記載のバイモルフ光学装置。
前記主表面（６、７）の少なくとも１つが、第１および第２側面（２、３）に凹部または凸部である曲線部（６２、６３、６４、６５）に沿って交差することと、前記セラミック棒（２１０、３１０）の少なくともいくつかが湾曲しており、前記曲線部に沿うように配置されることと、を特徴とする、請求項１記載のバイモルフ光学装置。
少なくとも１つのセラミック棒が、端と端が接続されて配置される（２１_１、２１_２、２１_３、２２_１、２２_２、２２_３、３１_１、３１_２、３１_３）または重ね合わされる（２１、２１’、２２、２２’、３１、３１’、３２、３２’）少なくとも２つの圧電セラミック素子を備えることを特徴とする、請求項１記載のバイモルフ光学装置。
前記光学素子（１）が直方体の形を有することと、前記第１および第２側面（２、３）が長方形の長辺に沿って延伸することと、を特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のバイモルフ光学装置。
前記直方体の幅lに対する長さＬの比率が、１から１００の範囲内にあることを特徴とする、請求項６記載のバイモルフ光学装置。
前記幅lが１０ｍｍから８０ｍｍの範囲内にあることを特徴とする、請求項７記載のバイモルフ光学装置。
前記長さＬが、４０ｍｍから１５００ｍｍの範囲内にあることを特徴とする、請求項７または８記載のバイモルフ光学装置。
棒（２１、２２、３１、３２、４１、４２、５１、５２）の幅l_０が、２ｍｍから３０ｍｍの範囲内にあることと、高さｈ_０が２ｍｍから３０ｍｍの範囲内にあることと、を特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載のバイモルフ光学装置。
少なくとも２つの前記圧電セラミック棒（４１、４２、５１、５２）の組を含む第３および第４の対向する側面（４、５）も含むことを特徴とする、請求項６から１０のいずれか一項に記載のバイモルフ光学装置。
前記光学素子（１）の厚さｅが、５ｍｍから１００ｍｍの範囲内にあることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載のバイモルフ光学装置。
前記光学素子が鏡体であることと、少なくとも第１主表面（６）が研磨されていることと、を特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載のバイモルフ光学装置。
前記光学素子が格子であることと、少なくとも第１主表面（６）が少なくとも１つの格子パターンを備えることと、を特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載のバイモルフ光学装置。