(57)【要約】  適応型ミラーシステムはミラーシステムに生じ得る波面誤差を補正するための位相ミラーセグメントのアレイを含み、各位相ミラーセグメントは集積型波面補正モジュールを含み、このモジュールは、光学面と、この光学面に関する入射局所波面の高空間時間周波数位相誤差を補正するべく光学面を変形させるための高空間時間周波数補正システムと、入射局所波面のチップ・チルト誤差を補償するべく光学面を調整するためのチップ・チルト補正システムとを有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
適応型ミラーシステムであって、
ミラーセグメントに生じ得る波面の誤差を補正するためのフェーズドミラーセグメントのアレイであって、それぞれが、光学面を含む集積型波面補正モジュールを有しているフェーズドミラーセグメントのアレイと、
前記光学面に関する入射局所波面の高空間時間周波数位相誤差を補正するために、前記光学面を変形させるための高空間時間周波数補正システムと、
前記入射局所波面のチップ・チルト誤差を補償するために、前記光学面を調整するためのチップ・チルト補正システムと、
を具備してなることを特徴とする適応型ミラーシステム。
【請求項２】
前記高空間時間周波数補正システムは、前記チップ・チルト補正システムと直列になっており、かつ前記光学面および前記高空間時間周波数補正システムの両方を調整するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の適応型ミラーシステム。
【請求項３】
前記高空間時間周波数補正システムおよび前記チップ・チルト補正システムはそれぞれ前記光学面に対して連結されていることを特徴とする請求項１に記載の適応型ミラーシステム。
【請求項４】
前記チップ・チルト補正システムは、前記光学面の中心近傍に一つに集合した、その力伝達作用ポイントを有する複数のアクチュエータを具備してなることを特徴とする請求項１に記載の適応型ミラーシステム。
【請求項５】
前記チップ・チルトアクチュエータは、前記チルト動作を拡張するためのチップ・チルト増倍機構を含むことを特徴とする請求項１に記載の適応型ミラーシステム。
【請求項６】
前記チップ・チルト増倍機構は、前記チップ・チルトアクチュエータから、前記光学面の中心軸線に向って延在するアームを含むことを特徴とする請求項５に記載の適応型ミラーシステム。
【請求項７】
前記光学面は、連続した表面薄板を含むことを特徴とする請求項１に記載の適応型ミラーシステム。
【請求項８】
前記高空間時間周波数補正システムは横方向電気変位式アクチュエータアレイを含み、
この横方向電気変位式アクチュエータアレイは、
支持構造体と、
前記支持構造体の近位端部から遠位端部まで延在する複数のフェロイック(ferroic)電気変位式アクチュエータ要素であって、それぞれが、少なくとも一つのアドレス可能電極およびこのアドレス可能電極から離間させられかつ横方向ｄ３１歪み軸に沿って前記近位端部および遠位端部の方向に沿って延在する一つの共通電極を含むアクチュエータ要素と、
アドレス指定された前記アクチュエータ要素において前記光学面の光学位相変化をもたらすべく、アドレス指定された前記アクチュエータ要素の横歪みを誘起するよう、前記アドレス可能電極および共通電極に電圧を印加するための複数のアドレス可能接触子および少なくとも一つの共通接触子と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の適応型ミラーシステム。
【請求項９】
前記支持構造体および前記アクチュエータ要素は一体であることを特徴とする請求項８に記載の適応型ミラーシステム。
【請求項１０】
前記チップ・チルト補正システムは多軸トランスデューサーを含み、
前記多軸トランスデューサーは、
強誘電体層のスタックと、
強誘電体層間に交互に配置された複数の共通電極およびアドレッシング電極であって、前記アドレッシング電極のそれぞれは互いに電気的に絶縁されかつ他のアドレッシング電極の対応するセクションと共に対を形成している複数のセクションを含んでいる、共通電極およびアドレッシング電極と、
前記共通電極に対して電気的に接続された共通導体と、
多数のアドレッシング導体であって、それぞれが前記アドレッシング電極の前記セクションの異なる前記対に対して電気的に接続されている多数のアドレッシング導体と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の適応型ミラーシステム。
【請求項１１】
前記高空間時間周波数補正システムは、複数のミラーアクチュエータを含むことを特徴とする請求項１に記載の適応型ミラーシステム。
【請求項１２】
前記高空間時間周波数補正システムは、少なくとも三つのミラーアクチュエータを含むことを特徴とする請求項１１に記載の適応型ミラーシステム。
【請求項１３】
前記チップ・チルト補正システムは、複数のチップ・チルトアクチュエータを含むことを特徴とする請求項１に記載の適応型ミラーシステム。
【請求項１４】
前記チップ・チルト補正システムは、少なくとも三つのチップ・チルトアクチュエータを含むことを特徴とする請求項１３に記載の適応型ミラーシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は適応型ミラーシステムに関し、さらに詳しくは、集積型波面補正モジュールを用いて実現される複数のフェーズド(整相)セグメントを有するようなシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現行の適応型ミラーシステムは、入射波面のチップ・チルト誤差および高空間時間周波数誤差を補正するために別個のビーム操作デバイスおよび変形可能なミラーをそれぞれ使用する。別個のコンポーネントの使用は付加的中継レンズを必要とし、しかもアクチュエータは概して７ｍｍ間隔に制限される。これら全ては、適応型ミラーシステムを、大きく、複雑で、扱いにくく、重く、そして望遠鏡システムに関しては許容し得るが、産業、医療および眼科用途に関しては許容し得ない相当な電力を要するようなものとする。これらシステムの大きなサイズおよび間隔はまた、空間周波数補正および空間解像度を制限する。そして、これらシステムの構成には、簡単かつ経済的にスケールアップする余地はない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって本発明の目的は、改良された適応型ミラーシステムを提供することである。
【０００４】
本発明のさらなる目的は、小型で、より軽量で、簡素で、そして消費電力が少ない改良された適応型ミラーシステムを提供することである。
【０００５】
本発明のさらなる目的は、良好な空間時間周波数補正および良好な解像度を有する改良された適応型ミラーシステムを提供することである。
【０００６】
本発明のさらなる目的は、五つ以上の要因によってコストを低く抑えた改良された適応型ミラーシステムを提供することである。
【０００７】
本発明のさらなる目的は、極めて精度の高い改良された適応型ミラーシステムを提供することである。
【０００８】
本発明のさらなる目的は、ナノメーターレベルまで正確な改良された適応型ミラーシステムを提供することである。
【０００９】
本発明のさらなる目的は、サブナノメーター、オングストロームあるいは原子レベルまで寸法的に安定な改良された適応型ミラーシステムを提供することである。
【００１０】
本発明のさらなる目的は、簡単に経済的に拡張可能な改良された適応型ミラーシステムを提供することである。
【００１１】
本発明のさらなる目的は、広い帯域幅を有する改良された適応型ミラーシステムを提供することである。
【００１２】
本発明のさらなる目的は、ミラーの位相セグメントを実現するために、小型で、効率がよく、高度に集積された波面補正モジュールを使用する改良された適応型ミラーシステムを提供することである。
【００１３】
本発明のさらなる目的は、コンパクトでより小さな物理的覆いを有する改良された適応型ミラーシステムを提供することである。
【００１４】
本発明のさらなる目的は、数千の制御チャネルまで拡張可能であるような改良された適応型ミラーシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、以下の認識、すなわち良好な空間周波数補正および解像度を有する、精度および寸法安定性が改善された、より小型で、より軽量で、より簡素で、より低コストで、拡張可能で、低電力の適応型ミラーシステムは、光学面と共に、空間時間周波数誤差を補正するようこの光学面を変形させるための高空間時間周波数補正システムおよび入射局所波面のチップ・チルト誤差を補償するよう上記光学面を調整するためのチップ・チルトシステムの両方を有する集積型波面補正モジュールを用いてミラー位相セグメントを具現化することによって実現されるという認識に基づくものである。
【００１６】
本発明は、ミラーシステムに生じ得る波面の誤差を補正するためのフェーズド(整相)ミラーセグメントのアレイを含む適応型ミラーシステムを特徴とする。それぞれは集積型波面補正モジュールを含む。そうしたモジュールのそれぞれは、光学面、およびこの光学面に関する入射局所波面の高空間時間周波数位相誤差を補正するべく、この光学面を変形されるための高空間時間周波数補正システムを含む。チップ・チルト補正システムは、光学面を調整するだけでなく、その時の局所波面のチップ・チルト誤差を補償する。
【００１７】
好ましい実施形態では、高空間時間周波数補正システムはチップ・チルト補正システムと直列になっており、かつ光学面および高空間時間周波数補正システムの両方を調整する。チップ・チルト補正システムおよび高空間時間周波数補正システムはそれぞれ光学面に対して連結可能である。チップ・チルト補正システムは、光学面の中心近傍に一つに集合した力伝達作用ポイントを有する複数のアクチュエータを備えていてもよい。チップ・チルトアクチュエータは、チルト動作を拡大するためのチップ・チルト増倍機構を含むことができる。チップ・チルト増倍機構は、チップ・チルトアクチュエータから、光学面の中心軸線に向って延在するアームを含むことができる。光学面は連続した表面薄板を含むことができる。高空間時間周波数補正システムは横方向電気変位式アクチュエータアレイを含み、この横方向電気変位式アクチュエータアレイは、支持構造体と、この支持構造体の近位端部から遠位端部まで延在する複数のフェロイック(ferroic)電気変位式アクチュエータ要素とを含むことができる。各アクチュエータ要素は、少なくとも一つのアドレス可能電極およびこのアドレス可能電極から離間させられかつ横方向ｄ３１歪み軸に沿って近位端部および遠位端部の方向に沿って延在する一つの共通電極と含むことができる。アドレス指定されたアクチュエータ要素において光学面の光学位相変化をもたらすべく、アドレス指定されたアクチュエータ要素の横歪みを誘起するよう、アドレス可能電極および共通電極に電圧を印加するための複数のアドレス可能接触子、少なくとも一つの共通接触子が存在してもよい。支持構造体とアクチュエータ要素とは一体であってもよい。チップ・チルト補正システムは多軸トランスデューサーを含み、この多軸トランスデューサーは、強誘電体層のスタックと、強誘電体層間に交互に配置された複数の共通電極およびアドレッシング電極とを含むことができる。アドレッシング電極のそれぞれは、互いに電気的に絶縁されかつ他のアドレッシング電極の対応するセクションと共に対を形成している多数のセクションを含んでいてもよい。共通導体は共通電極に電気的につながる。多数のアドレッシング導体が存在する。それぞれのものはアドレッシング電極のセクションの異なる対に対して電気的に接続される。高空間時間周波数補正システムは複数のミラーアクチュエータを含むことができる。それは少なくとも三つのミラーアクチュエータを含むことができる。チップ・チルト補正システムは複数のチップ・チルトアクチュエータを含むことができ、それは少なくとも三つのチップ・チルトアクチュエータを含むことができる。
【００１８】
上記以外の目的、特徴および利点は、好ましい実施形態に関する以下の説明ならびに図面から当業者には明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下で説明する実施形態または実施形態群に加えて、本発明はその他の実施形態を採用することができ、そしてさまざまな様式で実施するか達成することができる。ゆえに、本発明はその適用に関して構造の細部および以下の説明で言及するかあるいは図示するコンポーネントの配置構成に限定されるものではないことを理解されたい。
【００２０】
図１には適応型(アダプティブ)望遠鏡システム１０を示すが、このシステム１０は、本発明による一つ以上の適応型ミラーシステム、たとえば一次分割ミラー１２、二次分割ミラー１４、および三次分割ミラー１６を有し、その全ては、台２２によって支持されたヨーク２０上の上部構造体１８を用いて設置されている。器機プラットホーム２４,２６が計器装備、制御装置および検出装備ならびに回路を支持している。ミラー(一次ミラー１２、二次ミラー１４および三次ミラー１６)のそれぞれは、集積型波面補正モジュール３０によって具現化されたフェーズド(整相)セグメントからなっている。補正モジュール３０のいくつかを、六角形状を有するものとして図２に示すが、これによってそれらは簡単にぴったりと組み合わせることができるようになっている。モジュール３０'は、他のモジュールの表面よりも僅かに下方の作動ポジションにて示されており、一方、モジュール３０''は僅かに高いレベルまで動作させられた状態で示されている。各モジュール３０は表面薄板を有するが、モジュール３０'''についてはそれが取り外されており、この結果、高空間時間周波数補正システム３４をより簡単に見ることができる。
【００２１】
モジュール３０を図３に詳細に示すが、ここでは、ベースすなわち反作用(reaction)質量４０に搭載されたミラーアクチュエータ３８によって支持された可撓体３６上に表面薄板３２が載っていることが分かる。この表面薄板３２は連続したものとすることができるが必須ではない。高空間時間周波数補正システム３４は、今度は、チップ・チルト補正システム４２上に搭載されているが、このシステム４２は三つの緊密に集合したチップ・チルトアクチュエータ４４,４６を含み(アクチュエータ４６の一部が切り欠かれており、そこから第３のアクチュエータ４８が見える)、このアクチュエータもまたベース５０に搭載可能であり、これら全てのものは大型ベース５２上で支持可能である。ここまで集積型波面補正モジュール３０は形状が六角形のものとして図示したが、これは必須の制限ではない。図４に示すようにそれは正方形であってもよく、あるいは八角形、長方形または適切な全体的ミラー表面を形成するのに望ましいその他の規則正しいかあるいは不規則な形状とすることができる。ミラーアクチュエータ３８はXIRE4016であってもよく、そしてチップ・チルトアクチュエータ４４,４６および４８はXIRE0750であってもよく、これらはいずれもDevens、MassachusettsのXinetics,Inc.から入手可能である。これらチップ・チルトアクチュエータは、通常、１０ないし４０ミクロンのストロークを有し、一方、ミラーアクチュエータは３ないし６ミクロンのストロークを有するであろう。チップ・チルト補正システム４２は、大きなチップ・チルト(傾斜)動作、低い解像度、および低い作動周波数を持つビーム操作装置として、あるいは小さなチップ・チルト動作、高い解像度、および広い帯域幅を持つ高速ステアリングミラーとして機能できる。ミラーアクチュエータ３８の数は、所望の空間解像度に応じて増やすことも減らすこともできる。これに代えて、チップ・チルト補正システム４２はいかなる好適な駆動システムであってもよく、これには、電磁式アクチュエータ(たとえばボイスコイル)、およびステッパーモーター、圧電アクチュエータなどが含まれる。
【００２２】
また、ある好ましい実施形態では、高空間時間周波数補正システムは、Mark A.Ealeyによる「Transverse Electrodisplacive Actuator Array」という名称の米国特許出願第10/730,514号の明細書(同一の譲受人が所有しかつこの引用によってその全体が本明細書に組み込まれる)に開示された横方向電気変位式アクチュエータアレイ(transverse electrodisplacive actuator array)を含むことができ、しかもPhotonex #49S3、144S3、1024S1のようなデバイスは、Devens、MassachusettsのXinetics,Inc.から入手可能である。
【００２３】
好ましい実施形態では、チップ・チルト補正システムは、Mark A.Ealey(XIN-103J)による「Improved Multi-Axis Transducer」という名称の、2004年8月9日に提出された米国特許出願第10/914,450号の明細書(同一の譲受人が所有しかつこの引用によってその全体が本明細書に組み込まれる)に開示された多軸トランスデューサー(multi-axis transducer)を含むことができる。X13DOF0510、X13DOF1020のようなデバイスは、Devens、MassachusettsのXinetics,Inc.から入手可能である。以下、それぞれについて説明する。
【００２４】
横方向電気変位式アクチュエータアレイ１４８(これは集積型波面補正モジュール３０の高空間時間周波数補正システム３４を具現化し得る)は、支持構造体１５４上に配置された複数のアクチュエータ１５０,１５２(図５)を含むが、これは、アクチュエータ１５０を伸長および収縮させるために、縦(長手)方向軸ｄ３３に沿った歪みよりも、横方向軸ｄ３１に沿った歪みを利用する。この場合、各アクチュエータは、少なくとも二つの電極、アドレス可能電極１５６と共通電極１５８とを含む。アドレス可能電極１５６は支持構造体１５４の表面１６２上の接触子１６０につながっており、一方、共通電極１５８は表面１６６上の接触子１６４につながっている。この構造では、本発明によれば、電極は概して、交差する場合とは対照的に伸長および収縮の方向と平行である。一つの利点は次のようなものである。すなわち、界面応力はもはや要因ではなく、なぜなら生じる分離または亀裂は力あるいは変位と一続きではなく、むしろそれと交差するからであり、この結果、それは装置の動作に影響を及ぼさなくなる。さらに、得られるストロークはもはや積層体スタック中の電極およびセラミック層の数には依存せず、むしろアクチュエータ１５０(図５)の長さに依存する。
【００２５】
アクチュエータ１５０,１５２(図５)は大型アレイ１４８ａ(図６)の一部であってもよく、この大型アクチュエータ１４８ａは多数のアクチュエータ１５０ａ,１５２ａ,１７２および１７４を含んでいる。アクチュエータ１５０ａ,１５２ａ,１７２および１７４は支持構造体１５４ａに搭載されるが、この構造体１５４ａはこれらアクチュエータと一体であってもよい。その分離状態は切溝あるいは鋸による切込み１７６によって実現可能であるが、これはアクチュエータ同士を互いに二つの寸法に分離させ、これによってアクチュエータは独立した要素として動作可能となっている。さらに、図示するように、各要素は、一つ以上のアドレス可能電極および一つの共通電極を有することができる。たとえばアクチュエータ１５０ａに関しては、図６に示すように、三つのアドレス可能電極１８０,１８２および１８４が存在し、これらはユニットとしてアドレス可能接触子１８６に対して接続されている。一つ以上の共通電極が存在してもよい。たとえば、ユニットとして共通接触子１９６に接続された四つの共通電極１８８,１９０,１９２および１９４が存在していてもよい。接触子１９６は反射部材２００の取り付け面１９８上にメッキされる。反射部材２００は、その他方の側に反射面２０２を含むが、これは通常は連続した面である。したがって、選択的にアドレス可能接触子１８６をアドレス指定することにより、アクチュエータ１５０ａを伸長または収縮させることができ、そしてアクチュエータ１５０ａの局部に表面２０２の膨らみまたは窪みを発生させることができる。同様に、アドレス可能接触子２０４,２０６および２０８が選択された場合には、表面２０２は、関連付けられたアクチュエータ１５２ａ,１７２,１７４それぞれの局限された領域において駆動され、これによって、表面２０２で反射される光学波面を決定するために印加電圧に応じて膨らみまたは窪みが形成される。通常、印加電圧は７０ボルトの静止レベルを有することができ、この結果、３０ボルトの増加によってアクチュエータはある方向に駆動させられて伸長または収縮し、そして３０ボルトの電圧低下によって、それは他の方向に駆動されることになる。取り付け面２９８の爪２９７が、適当な接着剤または接合法を用いて、アクチュエータ１５２ａ,１５４ａ,１７２および１７４に対して接合されている。アクチュエータ要素は、支持構造体によって支持されたその近位端部を有する。その遠位端部は反射端部を支持している。アドレス可能電極および共通電極は離間しておりかつ概ね互いに平行である。上記電極は、横方向ｄ３１歪み軸に沿ったアクチュエータ要素の近位および遠位端部の方向に沿って延在している。
【００２６】
横方向電気変位式アクチュエータアレイは、低電圧で機能しかつ２９３Ｋ(室温)の領域で効果的に稼働する拡張可能な、大きなストロークのマイクロアクチュエータを得るために、フェロイック(ferroic)材料、たとえば強誘電性材料あるいは強磁性材料、たとえば電歪セラミック、ニオブ酸鉛マグネシウム(ＰＭＮ)の横方向歪みを利用する。たとえばタングステンベースあるいはストロンチウムベースのその他の材料を用いることによって、１２５Ｋ〜２００Ｋの領域および３０Ｋ〜６５Ｋの領域それぞれにおいて作動可能となる。横方向歪みコンポーネントを利用することによって、セラミック／電極界面応力が低減され、そして稠密装填構造体の電気的相互接続が簡素化される。電極インターフェース構造は加工公差に影響されにくく、性能および再現性に関してよりモジュール性が高く、そして一層費用効率の高いものである。アクチュエータを形成するために必要な薄層の数は少なく、しかも長さは要求ストロークに合致するよう拡張される。電気的相互接続は共通バックプレイン内でプリント回路基盤技術を具現化することによって実現される。横方向電気変位式アクチュエータ装置によって、１０７までの動作チャネルに適合した拡張可能な構造が実現される。縦方向多層アクチュエータに関連する課題(電気的相互接続、界面応力、および製造中の正確な加工)は、横方向の動作モードを組み込むことよって解決される。アレイ１４８は、同時焼成され交互配置されたセラミックおよび電極層から形成でき、あるいは、たとえば硝酸鉛マグネシウム、硝酸ジルコン酸鉛のような単一の結晶材料(ただしこれには限定されない)から形成できる。
【００２７】
横方向電気変位式アクチュエータアレイは、応力の影響を受けやすい多層形成プロセスを要さずに、大きなストロークの、低電圧変位マイクロアクチュエータを得るために、ＰＭＮあるいは他のフェロイック(ferroic)材料、強誘電性材料あるいは強磁性材料の横方向電歪を利用する。横配向によって、構造的荷重経路は完全にセラミックを通り、電極／セラミック界面を通らない。さらに界面応力は著しく低減される。なぜなら、長さ方向の寸法変化は小さくしかも不活性材料の物理的クランプあるいはピンニング(固定)が排除されるからである。ストロークは、さらなる層を付加することによってではなく、長さを調節することによって得られる。
【００２８】
セラミックのモノリスブロックの、別個のアクチュエータへの輪郭取りは、普通の微細のこ引き技術によって実現される。横構造は、製造中に電極の損傷あるいは短絡を防止するために正確な公差を必要としない障害許容設計である。電気的相互接続は著しく簡素化される。個々のアクチュエータの電気的アドレス指定は、研磨されかつ露出電極を含むモノリスブロックを経て実現される。プリント回路技術が、別個のアドレス指定アクチュエータチャネルと電子ドライバーとの間の電気的相互接続を実現するために使用される。この帰結が、多層構造または極微な電気的相互接続を要さずに、極めて小さなアクチュエータ間隔でさえ、十分なストロークを提供できるマイクロアクチュエータ技術である。この構造は精密な機械加工を要さずに簡単に製造され、しかも電気駆動中、極度に応力に対する耐久性がある。さらに、この構造は、本来的に低電圧であるが、これはハイブリッドマイクロエレクトロニクス駆動技術に適合する。電気的アドレス指定および相互接続は、共通バックプレインにてなされるが、これは横方向の拡大縮小に役立つ。この思想は、一般的な電気セラミック製造および加工技術を使用する、高性能の、拡張可能なマイクロアクチュエータ技術を提供する。
【００２９】
図６には、反射部材２００の取り付け面１９８によって支持されたその共有電極１９６を有する横方向電気変位式アクチュエータアレイが示されているが、これは必須の限定ではない。図７に示すようにアレイ１４８ａにおいては、反射部材２００ａは、その取り付け面１９８ａ上の接触子を要さずに組み立てることができ、そしてその代わりに、共通電極用の共通接触子１９６ａを面１９９に設けることができる。このようにして、アクチュエータ１５０ａ,１５２ａ,１７２および１７４を含むアレイは、反射部材２００ａが接合または接着によって取り付けられる前に、十分に電力を供給し、試験することができる。
【００３０】
アレイ全体、支持構造体１５４ａならびにアクチュエータ１５０ａ,１５２ａ,１７２および１７４の両方は、個々の要素へのアクチュエータの分離をもたらす切込みまたは切溝を有する適当な材料のフェリック(ferric)セラミックからなるブロックとなるよう、二つの互いに直交する方向への切り分けを行うことによって製造できる。アレイ１４８ｃ(図８)に関して示すように、ほんの数箇所の切込み２１０によってアクチュエータ２１２を形成してもよく、あるいはアレイ１４８ｄ(図９)に関して示すように、数多くの切込み２１４によって数多くのアクチュエータ２１６を形成してもよい。支持構造体２２２によって支持された多数のアクチュエータ２２０を有する横方向電気変位式アクチュエータアレイ１４８ｅ(図１０)の相互接続は、下面２２３(図１０)に、はんだパッド２２４を用いて、接触子１８６ａおよび１９６ａ(図７)を形成することによって得ることができ、その上面には、可撓ケーブル２３０によって支持されたピングリッドアレイ２２８を受けるためのソケットグリッドアレイ２２６が取り付けられる。
【００３１】
本発明による有利なモジュール式の横方向電気変位式アクチュエータアレイを図１１に示すが、この図では、非常に大きな反射部材２３４(これはまた連続面であってもよい)を受けるために、大きなアセンブリ２３２を形成するよう、多数の小型横方向電気変位式アクチュエータアレイ２２０(図１０)が結合されていることが分かる(図１１)。ここで、単一ケーブル２３６で示す可撓ケーブルの全てが駆動回路１４０ｂに接続されており、これはマイクロプロセッサー１４２ｂによって駆動される。マイクロプロセッサー１４２ｂを用いた駆動回路１４０ｂの選択プログラミングによって、図１２Ａに示すような非作動能動アパーチャーを持つこと、図１２Ｂに示すように一つのアクチュエータを約２５０ｎｍまで作動させること、図１２Ｃに示すように全ての第３のアクチュエータを作動させること、あるいは図１２Ｄに示すように全ての他のアクチュエータを作動させることが可能である。２１×２１アレイに配された１ミリメーターの間隔を有する４４１個以上のアクチュエータを具備してなる多重モジュールを例証した。ミラーの変形が得られたが、これは１００ボルトで０.２５マイクロメーターであり、しかもλ／１０００ｒｍｓまで再現可能である。各アクチュエータの平均静電容量は３０ｎＦであってもよく、平均ストロークは２５０ｎｍであってもよい。
【００３２】
多軸トランスデューサー３１０(図１３)(これは集積型波面補正モジュール３０のチップ・チルト補正システム４２を具現化することができる)は、アドレッシング導体３１２,３１４および３１６ならびに共通導体３１８を含む。トランスデューサー３１０は、通常、数十あるいは数百に達する複数の層から形成される。層は、電極、すなわち共通電極およびアドレッシング電極によって交互に分離させられている。層３２０は、強誘電性電気変位材料、たとえば電歪材料、ピエゾ抵抗(piezoresistive)材料、圧電材料、あるいはプリオ抵抗(pryoresistive)材料、たとえば硝酸鉛マグネシウム、チタン酸ジルコン酸鉛から形成される。互い違いの層間にアドレッシング電極３２２が配置されており、共通電極３２４は割り込み状態で交互に配置されている。層と電極のこの組み合わせはコンデンサーを形成するが、これは物理的には直列でありかつ電気的には並列なものと見ることができる。層３２０は従来品(その長手方向壁厚は４０ないし１００ミルである)と比べて非常に薄いもの(たとえば４ミル(mil))であってもよく、従来型デバイスは１０００Ｖないし２５００Ｖの電圧源を必要としたが、４ミル層を使用する本構造体は概ね１００ボルトしか必要としない。さらに、このトランスデューサーがアクチュエータとして機能させられるとき、それはより大きな変位を実現する。なぜなら、それはより多くの層を有し、かつ変位は、層の数の二乗と電界の積の関数であるからである(次式参照)。
【００３３】
【数１】
2008512724.tif 000003
【００３４】
ここでＥ＝Ｖ／ｔである。ただしＶは電圧、ｔは厚みである。
【００３５】
センサートランスデューサー３１０として機能させられるとき、やはり性能向上が図れる。なぜなら、モノリス集積構造体を生み出す同時焼成はデバイスの剛性を増大させ、したがって加えられた力に対するより優れた感度をそれにもたらすからである(次式参照)。
【００３６】
【数２】
2008512724.tif 000004
【００３７】
ここでρは密度、Ａは面積、そしてＹはヤング率である。ヤング率が高くなればなるほどデバイスの剛性は高まり、その結果、センサーとしてのデバイスの感度がますます高まり、そしてアクチュエータとしてのデバイスによって得られる力はまますます増大する。さらに同時焼成によって集積(一体化)構造体が得られるが、このものでは、電極、層およびアドレッシング導体および共通導体さえもパッケージの一部となっている。高い剛性はまた、トランスデューサーの帯域幅を増大させる(次式参照)。
【００３８】
【数３】
2008512724.tif 000005
【００３９】
ここでｋは剛性、ｍは質量、そしてｆrは固有振動数であり、ｋ＝Ｙａ／ｌである。ただしｌはトランスデューサーの長さである。同時焼成はよく知られた製造法であり、それは、バインダーバーンアウト中にグリーン体からカーボンを除去し、焼結中にセラミックを高密度化し、モノリス状の多層スタックを得る処理を含む。さらなる情報に関しては、M.N.Rahamen著、「Ceramic Processing and Sintering」、James S.Reed著、「Principles of Ceramic Processing」を参照されたい。
【００４０】
各アドレッシング電極３２２は二つ以上のセクションを含む。図１３においては、アドレッシング電極３２２は３個のセクション３２８,３３０および３３２を含むが、より少数すなわち２個、あるいは６個以上、すなわち１０個、５０個、１００個、５００個あるいはそれ以外の数であってもよく、これは製造公差および必要解像度によってのみ制限される。トランスデューサー３１０は、通常、円柱形であって、中心線Ｃ／Ｌに関して回転対称であり、しかもその性能を向上させるために中心孔３２６を有していてもよい。各アドレッシング電極３２２に関する各セクション３２８,３３０,３３２は、他のアドレッシング電極に関する対応するセクションと共に対を形成する。すなわち、アドレッシング導体３１２によって接続された全てのアドレッシング電極３２２に関する全てのセクション３２８は、アドレッシング導体３１８によって相互接続されたセクション３３０の全ておよびアドレッシング導体３１６によって相互接続されたセクション３３２の全てがそうするのと同様に対を形成する。これらの対にはそれぞれ３３４,３３６および３３８を付す。
【００４１】
トランスデューサー３１０がアクチュエータとして機能させられるとき、アドレッシング導体３１２,３１４および３１６ならびに共通導体３１８を介してアドレッシングおよび共有電極の対と交差する電圧を印加することで電界が層３２０内に形成される。印加される電圧が全て等しい場合、変位はＺ軸に関して長さ方向に生じ、不均一な電圧が印加された場合、セクション３２８,３３０および３３２の対３３４,３３６,３３８にはそれぞれ異なる変位がもたらされて傾動が生じ、Ｘ軸およびＹ軸の動作が引き起こされる。アドレッシング電極３２２のそれぞれに関して、セクション３２８,３３０および３３２のそれぞれは、たとえば絶縁部３４０,３４２および３４４によって互いに電気的に絶縁されている。
【００４２】
アドレッシング導体３１２,３１４および３１６がアドレッシング電極にのみ接触し、共通電極には接触せず、そして共通導体３１８が共通電極にのみ接触し、アドレッシング電極には接触しないことを確実なものとするために、アドレッシングおよび共通電極には凹部が適当に形成されている。たとえば、共通電極３２４(図１４)のそれぞれは層３２０のスタックの縁部３５２から凹んでおり、この結果、それはアドレッシング導体３１６(これはたとえば端子３５４においてアドレッシング電極３２２のそれぞれと電気的に相互接続されている)と電気的に接触できないようになっている。同様の凹みが、共通導体との接触を回避するために、アドレッシング電極にも形成される。
【００４３】
この構造は図１５(この図には三つの層３２０ａ,３２０ｂおよび３２０ｃが分解状態で示されている)からより詳細に認識できる。アドレッシング電極３２２ａは、絶縁体３４０ａ,３４２ａおよび３４４ａによって電気的に分離させられた三つのセクション３２８ａ,３３０ａおよび３３２ａを含む。セクション３３０ａの一部には３６０で示すように凹部が形成されている。実際には、ただ一つの凹部が必要なだけであり、この場合、通常は、ただ一つの共通導体が存在する。だが、製造および組み立てを簡単にするために、凹部は、多くの場合、３６２および３６４にて仮想線で示すようセクションのそれぞれに設けられる。共通電極３２４ａは三つの凹部３６６,３６８および３７０を含み、これによってアドレッシング導体３１２,３１４および３１６のそれぞれと確実に接触しないようになっている。次なる層３２０ｃは絶縁体３４０ｃ,３４２ｃおよび３４４ｃならびに凹部３６０ｃ,３６２ｃおよび３６４ｃを備えた三つのセクション３２８ｃ,３３０ｃおよび３３２ｃを有するアドレッシング電極３２２ｃを含む。
【００４４】
本発明のトランスデューサーは、多数の強誘電体層４００(図１６)(この上には共通電極４０２が配される)を製造し、かつ多数の強誘電体層４０４(この上では多数のアドレッシング電極４０６が配される)(図１７)を製造することによって容易に製造できる。多数のこれらの層４００および４０４が続いて交互に整列状態で積層させられ、その後、アドレッシング電極および共通電極の個々のスタックは基体から切り出され、そして本発明による、多数のトランスデューサーを形成するために焼かれる。
【００４５】
ここまで、センサーまたはアクチュエータのいずれかとして機能するものとしてトランスデューサーを説明してきたが、それは共配置コンビネーションセンサー・アクチュエータとして機能することもできる。そうした共配置センサーアクチュエータ４１０(図１８)は、一群のアドレッシング電極がセンサー群４１２に指定され、そしてアドレッシング電極の他の群がアクチュエータ群４１４として指定されること以外は、図１３、図１４および図１５に示すトランスデューサーと同じ手法で製造される。一つの共通導体４１６は依然として存在し得るが、ここでは、アドレッシング導体４１８,４２０および４２２(センサー群４１２のアドレッシング電極のそれぞれのためのもの)およびアクチュエータ群４１４のアドレッシング電極用の別個のアドレッシング導体４２４,４２６,４２８が存在する。
【００４６】
同様の共配置センサー・アクチュエータ機能は図１９に示す別の例を用いて実現できる。ここでトランスデューサー４３０は、同じ層の上に交互に配置されたアクチュエータセクション４３４およびセンサーセクション４３６である多数のセクションへと分離させられた、そのアドレッシング電極４３２のそれぞれを有するようなものとして示されている。したがってアドレッシング電極のそれぞれは、アクチュエータおよび検出セクションの互い違いのパターンを有するが、これは、アクチュエータセクションの三つの対に関して割り込み状態で配置された検出セクションの三つの対を形成する。図１８および図１９のトランスデューサー４１０および４３０のいずれに関しても、変位および力検出の両方を実現するためにセンサーおよびアクチュエータの両方として機能できる共配置集積型モノリス状(同時焼成)トランスデューサーに帰着する。これに代えて、図１８のデバイスは、図示するように二つの別個の群を有する代わりに、アクチュエータとして機能する一つ置きのコンデンサー板およびセンサーとして機能する割り込み板を有することができる。
【００４７】
ここまで示した構成に関して、トランスデューサーが図２０に示すように長尺円柱体として形成される場合(長さＬが直径Ｄよりも相当大きなものである場合)、良好な性能は長手方向のアクセスすなわちｄ３３軸に沿ったものである。だが、本発明に係るトランスデューサーは、ｄ３１が好ましい軸である場合には、直径Ｄ(図２１)が長さＬよりも相当大きなものとなるように縦横比を逆転させたならば同様に作動する。
【００４８】
従来公知であるように、器機および制御パッケージ２８に配置されたような検出および制御回路(図１)は、望遠鏡システム(たとえば表面薄板３２)に関する入射波面の高空間時間周波数誤差およびチップ・チルト誤差を検出するためのセンサーおよび回路を含む。この回路(これは本発明の一部をなすものではない)は補償信号を出力し、これは続いて、上記誤差を補正するために高空間時間周波数補正システムのチップ・チルト補正システムに入力される。これら回路の相互接続はさまざまな方法で実施できる。ベースすなわち反作用質量４０ｂ(図２２)は、高空間時間周波数補正システム３４ｂからの相互接続導線５０４を収容するための空間５０２を有する枠体５００を具備することができるが、相互接続導線５０４は、チップ・チルト補正システム４２ｂ(それが複数の分離したアクチュエータであってもあるいは多軸トランスデューサーであっても)の中心孔５０６を通り、続いてはベース５２ｂの同様の孔５０８を通って延びている。相互接続導線５１０が、孔５０８を通って延びるケーブル５１２内でそれらとつながっている。これに代えて、集積型波面補正モジュール３０ｃ(図２３)はフラットケーブル５１４を具備していてもよく、これはアクチュエータ３８のそれぞれのためのベース４０ｃ上の接触子を介して相互連結され、続いて保護絶縁層５１６(これに対してチップ・チルト補正システム４２ｃを取り付けることができる)によって覆われる。繰り返すが、それは電線接続部５１０ａ(これは孔５０８ａを経てケーブル５１２ａまで延びている)によって駆動可能である。
【００４９】
チップ・チルト補正システム４２ｄ(図２４)が複数の別個のチップ・チルトアクチュエータ(たとえば図３に示す４４,４６および４８)であっても、あるいは図１３に示す単一のマルチアクセスアクチュエータであっても、ミラーのチップ・チルト動作のための最大の動作増幅を実現するために、光学面の中心近傍に一つに集合した力伝達作用ポイント(これはチップ・チルト動作のための支点である)を有することは有益である。図３においては、アクチュエータ４４および４６の力伝達作用ポイント軸線４５および４７、ならびにアクチュエータ４８の軸線(図示せず)は、ミラー面３２の回転軸線４９の中心に近接している。図１３の多軸トランスデューサーを使用することで、同様に、力伝達作用ポイント軸線は互いに接近しかつ光学面の中心に近接したものとなっているが、これは必須の限定ではない。たとえば、集積型波面補正モジュール３０ｄ(図２４)は、回転中心軸線４９ｄから十分に離間した三つの分離したチップ・チルトアクチュエータ４４ｄ,４６ｄおよび４８ｄを含むが、回転中心軸線４９ｄはベース５２ｄの孔５０８ｄの中心およびミラー面３２ｄの回転中心５３ｄを通っている。だが、これらチップ・チルトアクチュエータ４４ｄ,４６ｄおよび４８ｄのそれぞれはアーム５１８,５２０および５２２を含み、これはその関連するアクチュエータの上端から中心線４９ｄに向って延在している。ここで、力伝達作用ポイント５２４,５２６および５２８は、一箇所に集合すると共に中心軸線４９ｄに近接した、その軸線４５,４７および５１をそれぞれ有し、これによって、チップ・チルト動作のための動作増幅を実現するために支点、回転中心５３ｄに近くなるという機構的利点が得られる。だが、これは、この目的のために使用可能な多くのさまざまな有利な機械的システムの一例である。
【００５０】
ここまで、チップ・チルト補正システムが実際に高空間時間周波数補正システム全体を動かし、チップ・チルト補正を光学面３２ｄに施すように、チップ・チルト補正システム上に搭載された高空間時間周波数補正システムを備えた集積型波面補正モジュールについて示したが、これは必須の限定ではない。二つの補正システムを図２５に示すように平行状態で用いることができるが、この場合、集積型波面補正モジュール３０ｅは、光学面すなわち表面薄板３２ｅを支持する三つの離間したチップ・チルトアクチュエータ４４ｅ,４６ｅおよび４８ｅを有するチップ・チルト補正システム４２ｅを備える。表面薄板３２ｅからは高空間時間周波数補正システム３４ｅが懸架されており、この高空間時間周波数補正システム３４ｅは確かに依然としてチップ・チルト補正システム４２ｅによって動作させられるが、それはチップ・チルト補正システム４２ｅとは直列状態にない。チップ・チルト補正のために、システム４２ｅは高空間時間周波数補正システム３４ｅを介して表面薄板３２ｅを動かすのではなく別個にそれを動かし、高空間時間周波数補正システム３４ｅに関してもそのようになっている。これには、極度に軽量な高空間時間周波数補正システム３４ｅを表面薄板３２ｅによって支持することが必要となるが、あるいは必要な剛性を提供するために３３ｅで示すような補強層(仮想線で示す)を設けることができる。
【００５１】
各図に本発明の具体的特徴を示したが、これは便宜的なものであり、各特徴は本発明による他の特徴のいずれかまたは全てと組み合わせることができる。ここで使用した「含む」、「具備する」、「有する」および「備える」という語は、広くかつ包括的に解釈されるべきであり、物理的相互接続を限定するものではない。さらに本願に開示した実施形態は唯一可能な実施形態として理解されるべきではない。
【００５２】
他の実施形態は当業者に明白であり、それも本願特許請求の範囲内のものである。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明による一つ以上の適応型ミラーシステムを用いた適応型望遠鏡システムの斜視図である。
【図２】複数の集積型波面補正モジュールからなる、図１の本発明による、一次、二次あるいは三次ミラーシステムの一部の拡大詳細斜視図である。
【図３】チップ・チルト補正システムの一部を切り欠いた状態で、図２の集積型波面補正モジュールの一つを示す拡大斜視図である。
【図４】図３のものと類似の集積型波面補正モジュールの他の実施形態の斜視図である。
【図５】集積型波面補正モジュールに採用された、横方向電気変位式アクチュエータを単純化して示す概略図である。
【図６】図５の横方向電気変位式アクチュエータを用いた、横方向電気変位式アクチュエータアレイを単純化して示す概略図である。
【図７】図６と類似の横方向電気変位式アクチュエータを単純化して示す概略図である(ただし共通電極は支持構造体を経て引き出されている)。
【図８】アクチュエータ要素の数を増大させた、横方向電気変位式アクチュエータアレイの斜視図である。
【図９】アクチュエータ要素の数を増大させた、横方向電気変位式アクチュエータアレイの斜視図である。
【図１０】図９の横方向電気変位式アクチュエータアレイおよびその電気的相互接続を示す分解斜視図である。
【図１１】駆動回路を備えたモジュール式装置における図９のアレイの斜視図である。
【図１２】Ａ〜Ｄは横方向電気変位式アクチュエータアレイによるミラー面の局所的変形を示す図である。
【図１３】集積型波面補正モジュールに採用された多軸トランスデューサーの概略斜視図である。
【図１４】図１３の線１４‐１４に沿った概略側断面図である。
【図１５】複数の層を含む、図１３のトランスデューサーの一部を分解状態で示す概略拡大図である。
【図１６】共通電極のパターンが配された状態での、図１５のものと類似の層の概略拡大図である。
【図１７】アドレッシング電極のパターンが配された状態での、図１５のものと類似の層の概略拡大図である。
【図１８】図１３のものと類似のトランスデューサーの概略側面図であり、これは、スタックに沿って長手方向に形成されたセンサー部およびアクチュエータ部を備えた共配置センサー・アクチュエータの具体例である。
【図１９】図１３のものと類似のトランスデューサーの概略平面図であり、これは、スタックの周りに周方向に交互に形成されたセンサー部およびアクチュエータ部を備えた共配置センサー・アクチュエータの具体例である。
【図２０】図１３のものと類似のトランスデューサーの概略図であり、ｄ３３軸配座を示している。
【図２１】図１３のものと類似のトランスデューサーの概略図であり、ｄ３１軸配座を示している。
【図２２】図３および図４に示すような集積型波面補正モジュールの概略側面図であり、電気的相互接続を示している。
【図２３】図２２に類似の概略側面図であり、電気的相互接続に関する代替技術を示している。
【図２４】光学面の中心近傍に一つに集合したその力伝達作用ポイントを備えたチップ・チルト倍増機構を備えた集積型波面補正モジュールチップ・チルトアクチュエータの一実施形態を示す斜視側面図である。
【図２５】集積型波面補正モジュールの概略側面図であり、このものではチップ・チルト補正システムと高空間時間周波数補正システムとは光学面を別個に駆動するようになっている。
【符号の説明】
【００５４】
１０  適応型望遠鏡システム
１２  一次分割ミラー
１４  二次分割ミラー
１６  三次分割ミラー
１８  上部構造体
２０  ヨーク
２２  台
２４,２６  器機プラットホーム
２８  器機および制御パッケージ
３０  集積型波面補正モジュール
３２  表面薄板
３４  高空間時間周波数補正システム
３６  可撓体
３８  ミラーアクチュエータ
４０  反作用質量
４２  チップ・チルト補正システム
４４,４６,４８  チップ・チルトアクチュエータ
４５,４７,５１  力伝達作用ポイント軸線
４９  回転軸線
５０,５２  ベース
１４８  横方向電気変位式アクチュエータアレイ
１５０,１５２  アクチュエータ
１５４  支持構造体
１５６  アドレス可能電極
１５８  共通電極
１６０  接触子
１６２  表面
１６４  接触子
１６６  表面
１７２,１７４  アクチュエータ
１７６  切溝あるいは鋸による切込み
１８０,１８２,１８４  アドレス可能電極
１８６  アドレス可能接触子
１８８,１９０,１９２,１９４  共通電極
１９６  共通接触子
１９８  取り付け面
１９９  面
２００  反射部材
２０２  表面
２０４,２０６,２０８  アドレス可能接触子
２１０  切込み
２１２  アクチュエータ
２１４  切込み
２１６  アクチュエータ
２２０  小型横方向電気変位式アクチュエータアレイ
２２２  支持構造体
２２４  はんだパッド
２２６  ソケットグリッドアレイ
２２８  ピングリッドアレイ
２３０  可撓ケーブル
２３２  アセンブリ
２３４  反射部材
２３６  単一ケーブル
２９７  爪
２９８  取り付け面
３１０  多軸トランスデューサー
３１２,３１４,３１６  アドレッシング導体
３１８  共通導体
３２０  層
３２２  アドレッシング電極
３２４  共通電極
３２６  中心孔
３２８,３３０,３３２  セクション
３３４,３３６,３３８  対
３４０,３４２,３４４  絶縁部
３５２  縁部
３５４  端子
３６０,３６２,３６４  凹部
４００  強誘電体層
４０２  共通電極
４０４  強誘電体層
４０６  アドレッシング電極
４１０  共配置センサーアクチュエータ(トランスデューサー)
４１２  センサー群
４１４  アクチュエータ群
４１６  共通導体
４１８,４２０,４２２,４２４,４２６,４２８  アドレッシング導体
４３０  トランスデューサー
４３２  アドレッシング電極
４３４  アクチュエータセクション
４３６  センサーセクション
５００  枠体
５０２  空間
５０４  相互接続導線
５０６  中心孔
５０８  孔
５１０  相互接続導線
５１２  ケーブル
５１４  フラットケーブル
５１６  保護絶縁層
５１８,５２０,５２２  アーム
５２４,５２６,５２８  力伝達作用ポイント
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2008512724.tif 000016
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
2008512724.tif 000026
【図２２】
2008512724.tif 000027
【図２３】
2008512724.tif 000028
【図２４】
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【図２５】
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【国際調査報告】
2008512724.tif 000031
2008512724.tif 000032
2008512724.tif 000033