(57)【要約】【解決手段】  アクチュエータ一体型メニスカス鏡であって、一方の側にある鏡面と、他方の側にある支持構造と、前記支持構造に組み込まれた複数のアクチュエータとを含み、前記支持構造は前記鏡面から離間し且つ略平行に置かれ、前記アクチュエータが、前記鏡面の形状を制御しながら変化させるために前記鏡面に曲げモーメントを適用する。
2006520484.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクチュエータ一体型メニスカス鏡であって、
一方の側に鏡面を、他方の側に支持構造を含む光学基材と、
前記鏡面から離間し且つこの鏡面と略平行に前記支持構造に組み込まれ、鏡面に曲げモーメントを適用することで、前記鏡面の形状を制御しながら変化させる複数のアクチュエータと
を有するアクチュエータ一体型メニスカス鏡。
【請求項２】
請求項１のアクチュエータ一体型メニスカス鏡において、前記光学基材は光学材料を含むものである。
【請求項３】
請求項１のアクチュエータ一体型メニスカス鏡において、前記光学基材は、金属、ガラス、セラミック、ポリマー、及びそれらの複合材料からなる群から得られる光学材料を含むものである。
【請求項４】
請求項１のアクチュエータ一体型メニスカス鏡において、前記光学基材は炭化ケイ素を含むものである。
【請求項５】
請求項１のアクチュエータ一体型メニスカス鏡において、前記支持構造は交差する主要リブの配列を含むものである。
【請求項６】
請求項５のアクチュエータ一体型メニスカス鏡において、各前記アクチュエータは前記交差点間の主要リブに取り付けられるものである。
【請求項７】
請求項１のアクチュエータ一体型メニスカス鏡において、前記支持構造は前記鏡面の背面にカテドラル・リブを含むものである。
【請求項８】
請求項６のアクチュエータ一体型メニスカス鏡において、各前記リブは前記アクチュエータを受け入れるための凹部を含むものである。
【請求項９】
請求項１のアクチュエータ一体型メニスカス鏡において、前記アクチュエータは電歪装置を含むものである。
【請求項１０】
請求項９のアクチュエータ一体型メニスカス鏡において、前記アクチュエータは鉛マグネシウム・ニオブ酸塩電歪装置を含むものである。
【請求項１１】
請求項１のアクチュエータ一体型メニスカス鏡において、前記支持構造は離間した柱の配列を含むものである。
【請求項１２】
請求項１１のアクチュエータ一体型メニスカス鏡において、各前記アクチュエータは前記離間した一対の柱の間に延出するものである。
【請求項１３】
アクチュエータ一体型メニスカス鏡であって、
前記鏡面の形状を反応部（リアクション・マス）を用いずに制御しながら変更するための面部を有する、アクチュエータ一体型メニスカス鏡。
【請求項１４】
アクチュエータ一体型メニスカス鏡であって、
前記鏡面の形状を反応部を用いずに制御しながら変更するための面部を有する、アクチュエータ一体型メニスカス鏡。
【請求項１５】
アクチュエータ一体型メニスカス鏡であって、
一方の側に鏡面を、他方の側に支持構造を含む光学基材と、
前記鏡面の形状を反応部を用いずに制御しながら変更するための複数のアクチュエータと
を有するアクチュエータ一体型メニスカス鏡。
【請求項１６】
請求項１５のアクチュエータ一体型メニスカス鏡において、前記複数のアクチュエータは、前記鏡面から離間し且つこの鏡面と略平行に前記支持構造に組み込まれ、前記鏡面に曲げモーメントを適用するものである。
【請求項１７】
請求項１５のアクチュエータ一体型メニスカス鏡において、前記光学基材は光学材料を含むものである。
【請求項１８】
請求項１５のアクチュエータ一体型メニスカス鏡において、前記光学基材は、金属、ガラス、セラミック、ポリマー、及びそれらの複合材料の群から得られる光学材料を含むものである。
【請求項１９】
請求項１５のアクチュエータ一体型メニスカス鏡において、前記光学基材は炭化ケイ素を含むものである。
【請求項２０】
請求項１５のアクチュエータ一体型メニスカス鏡において、前記支持構造は交差する主要リブの配列を含むものである。
【請求項２１】
請求項２０のアクチュエータ一体型メニスカス鏡において、各前記アクチュエータは前記交差点間の主要リブに取り付けられるものである。
【請求項２２】
請求項１５のアクチュエータ一体型メニスカス鏡において、前記支持構造は前記鏡面の背面にカテドラル・リブを含むものである。
【請求項２３】
請求項１５のアクチュエータ一体型メニスカス鏡において、各前記リブは前記アクチュエータを受け入れるための凹部を含むものである。
【請求項２４】
請求項１５のアクチュエータ一体型メニスカス鏡において、前記アクチュエータは電歪装置を含むものである。
【請求項２５】
請求項２４のアクチュエータ一体型メニスカス鏡において、前記アクチュエータは鉛マグネシウム・ニオブ酸塩電歪装置を含むものである。
【請求項２６】
請求項１５のアクチュエータ一体型メニスカス鏡において、前記支持構造は離間した柱の配列を含むものである。
【請求項２７】
請求項２６のアクチュエータ一体型メニスカス鏡において、各前記アクチュエータは前記離間した一対の柱の間に延出するものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００３年２月２５日済み米国仮特許出願第６０／４５０，１９８号の名称"ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ  ＺＯＮＡＬ  ＭＥＮＩＳＣＵＳ  ＭＩＲＲＯＲ"の利益を主張するものである。
【背景技術】
【０００２】
メニスカス鏡は典型的に、その鏡面を含む光学基材と、反応部（リアクション・マス）と、望ましいエクスカーション（鏡全体の湾曲形状全面または影響の及ぶ範囲）をもたらす、又は熱、振動、重力からの修正能力（コレクタビィリティ）（湾曲を克服するために形状を局所的に変更すること）をもたらす数多くのアクチュエータとを使用する。鏡は区域的に操作が可能であり、前記鏡の各区域は局所センサーを有し、前記局所センサーが局所アクチュエータを制御して前記鏡又はモダリーのその範囲の形状を変える。前記鏡面全体は（例えば、干渉縞を用いて）全体的に検知され、次に前記局所アクチュエータを操作して傾斜をもたらす。前記アクチュエータは一般に前記鏡面に対して標準的に配向され、歪みを克服して前記鏡を正しく変形させるための反応部を必要とする。これまでの問題として、前記鏡の重量を軽くする必要性があり、鏡の反応部の存在によって増す重量を軽量化する必要性があったことから、より軽量で薄い鏡へと移行し、結果的に極めて壊れやすく製造および加工の難しい鏡となった。もう１つの問題は、異なるタイプのアクチュエータの性能のばらつきである。移動タイプの面標準アクチュエータ（Ｓｕｒｆａｃｅ  ｎｏｒｍａｌ  ａｃｔｕａｔｏｒｓ：ＳＮＡ）は修正能力が優れているがエクスカーションが比較的悪く、固有振動数と面密度が高い。力を用いるタイプのＳＮＡは、修正能力および高エクスカーションに適しており、固有振動数が比較的低レベルで適度な面密度である。一般にその鏡全面を単純に曲げる作用をする、いわゆる反りアクチュエータ（ｃｕｒｖａｔｕｒｅ  ａｃｔｕａｔｏｒｓ）の端部または影響の及ぶ範囲は、高エクスカーションだが修正能力が低く、適度な固有振動数と低い面密度を有する。移動タイプのＳＮＡはより小さくすることが可能であるため、より密集させることが可能だが、移動能力が限られているため湾曲調整のエクスカーション又は影響の及ぶ範囲をもたらすという点で不利である。力を用いるタイプのＳＮＡは、移動範囲ではより優れているが密集させることができないため、最良の修正能力を達成することができない。反りアクチュエータのエッジまたは影響の及ぶ範囲は、限られた数のエッジ・アクチュエータを用いて単純にその中心から鏡を曲げるため、修正能力という点で適用範囲が限定される。これらすべてのアプローチに共通の欠点の１つは、その鏡のサイズおよび重量を増す反応部を必要とする点である。もう１つの欠点はそれらアクチュエータの設置又は交換が容易ではない点である。更に、その光学基材は典型的にはガラス又はベリリウムであり、その反応部がグラファイト複合材料であるため、熱的な不整合による歪曲が生じる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
従って本発明の目的は、改良されたアクチュエータ一体型メニスカス鏡を提供することである。
【０００４】
本発明の目的は更に、反応部を必要としない、そのような改良されたアクチュエータ一体型メニスカス鏡を提供することである。
【０００５】
本発明の目的は更に、修正能力とエクスカーションの両方において優れた性能を発揮する、そのような改良されたアクチュエータ一体型メニスカス鏡を提供することである。
【０００６】
本発明の目的は更に、より高い固有振動数とより低い面密度を有する、そのような改良されたアクチュエータ一体型メニスカス鏡を提供することである。
【０００７】
本発明の目的は更に、そのような改良されたアクチュエータ一体型メニスカス鏡を提供することであって、前記メニスカス鏡のアクチュエータは、前記鏡の光学基材に埋め込まれており、反応部を必要としないだけでなく、前記アクチュエータの設置及び交換をはるかに容易にする。
【０００８】
本発明の目的は更に、前記鏡の光学基材に追加材料を用いることが可能である、そのような改良されたアクチュエータ一体型メニスカス鏡を提供することであり、反応部の重量が除かれているため、前記鏡の強度と剛性及びその製造安定性を向上することができる。
【０００９】
本発明は、反応部を必要とせずに優れた固有振動数、面密度、エクスカーション、および修正能力を併せ持つ真に改良された軽量のアクチュエータ一体型メニスカス鏡を達成することが可能であることを認識した上でもたらされた発明であり、前記メニスカス鏡は一方の側にある鏡面と、他方の側にある支持構造と、前記支持構造に組み込まれた複数のアクチュエータとを含む光学基材によって達成され、前記支持構造は前記鏡面から離間し且つ略平行であり、それによって前記鏡面の形状を局所的及び全体的にも、領域的又は様態的（モダリー）にも変化させる調整能力を有し、さらに反応部を必要とせずにそれを行うものである。
【００１０】
本発明は、鏡面を一方の側に、支持構造を他方の側に有する光学基材を含むアクチュエータ一体型メニスカス鏡を特徴とする。複数のアクチュエータが前記支持構造に埋め込まれ、前記支持構造は前記鏡面から離間し且つ略平行であり、それにより前記鏡面に曲げモーメントを適用することで前記鏡面の形状を制御しながら変化させる。
【００１１】
好ましい実施形態において、前記光学基材は炭化ケイ素を含むことができる。前記支持構造は交差する主要リブの配列を含むことができる。各アクチュエータは、交差する主要リブの間に取り付けられることができる。前記支持構造はその鏡面裏側にカテドラル・リブを含むことができる。各リブはアクチュエータを受け入れるための凹部を含む。アクチュエータは電歪装置を含むことができる。各アクチュエータは鉛マグネシウム・ニオブ酸塩電歪装置を含む。前記支持構造は離間された柱の配列を含み、各アクチュエータが離間された一対の柱の間に延出することができる。曲げモーメントは、反応部を頼らずに展開する。前記基材はあらゆるタイプの光学材料で形成することが可能であり、前記アクチュエータはあらゆるタイプの電圧制御式アクチュエータが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
好ましい実施形態または以下に開示する実施形態とは別に、本発明は他の実施形態が可能であり、且つ様々な方法で実用又は実行され得る。従って本発明は、本明細書の以下の説明または図面が示す構造の詳細、及びコンポーネントの配置への応用に限定されないものと理解されるべきである。
【００１３】
本発明は図１のアクチュエータ一体型メニスカス鏡１０を特徴とし、それは典型的に炭化ケイ素またはそれと同等（例えば、金属、ガラス、セラミック、ポリマー、及びそれらのコンポーネントのオプティカル）の光学基材１２を含み、それらのコンポーネントとして、これに限定されるものではないが、石英ガラス、ＵＬＥ、Ｚｅｒｏｄｕｒ、Ａｌ  ６０６１−Ｔ６、ＭＭＣ  ３０％  ＳｉＣ、Ｂｅ  Ｉ−７０、Ｂｅ  Ｉ−２２０−Ｈ、Ｃｕ  ＯＦＣ、Ｃｕ  Ｇｌｉｄｃｏｐ、インバール  ３６、スーパーインバール、モリブデン、ケイ素、ＳｉＣ  ＨＰ  アルファ、ＳｉＣ  ＣＶＤ  ベータ、ＳｏＣ  ＲＢ  ３０％  Ｓｉ、Ｃ／ＳｉＣ、ＳＳ  ３０４、ＳＳ  ４１６、ＳＳ  １７−４ＰＨ、Ｔｉ  ６Ａ１４Ｖ、Ｇｒ／ＥＰ  ＧＹ７０ｘ３０が含まれ、前記光学基材１２は一方の側に鏡面１４を、他方の側に図２の支持構造１６を有する。前記支持構造は複数の主要リブ１８を含み、前記リブは影響範囲の中心にある結節点２０で交差する。リブ１８ａのような各主要リブは凹部またはノッチ（刻み目）２２を含み、そこにアクチュエータが配置される。主要リブの配列は前記鏡面の裏側２４を支えている蜂の巣状構造を作り、そこにカテドラル・リブ２６を配置することにより鏡面１４を強化して更に支えることができる。特定の結節点２０を囲む６つの穴部２８は本発明と密接に関係するものではないが、取り付け板に接続して計測構造を形成する３対の二脚台を受け入れるために用いられ、前記計測構造は、例えば望遠鏡又はビームディレクターを構成する主鏡と副鏡と追加的設備とを支える。
【００１４】
図３のアクチュエータ３０はリブ１８の凹部２２に組み込まれ、前記鏡面から離間し且つ略平行である。延長又は収縮によってアクチュエータ３０が作動すると曲げモーメントが適用されて前記鏡面の形状が変化し、修正能力を与える局所的適用と、湾曲変化の影響の及ぶ範囲にもたらす全体的適用との両方を行う。アクチュエータ３０はそれらが組み込まれている支持構造に直接作用するため、反応部を必要としない。加えて、たとえそれらが移動装置であっても、それらの影響は累加的であるため、非常に有効な影響範囲の湾曲若しくはエクスカーション形状変化をもたらすことが可能である。
【００１５】
前記アクチュエータ３０のそれぞれは、電歪装置または磁歪装置、圧電装置またはその他のあらゆる適切なタイプのアクチュエータが可能であり、例えば油圧、音声コイル、ソレノイドのようなアクチュエータ、例えば形状記憶合金又はパラフィンなど機械的又は相変化物質のアクチュエータが可能である。この好ましい実施形態において、それらは鉛マグネシウム・ニオブ酸塩またはＰＭＮタイプの電歪装置として説明されているが、前記タイプが好ましいのは、低い熱係数を有し、ヒステリシスとクリープがほとんどなく、サブオングストロームのレベルに対しサイズ的に安定しているからである。前記アクチュエータは性質的に設置および交換が簡単である。例えば、図４のアクチュエータ３０ａは、取り付けタブ３２と３４を含むことが可能であり、それらのタブは、リブ１８ｂのノッチ（刻み目）２２ｂに設置された取り付けクリップ３６と３８によって受け入れられる。スロット３６と３８は、クランプ４０と４２によってリブ１８ｂに取り付けることができる。すべての接続面に接着剤を供給し、アクチュエータ３０ａを永久定着することができる。前記アクチュエータは周辺温度アクチュエータまたは極低温アクチュエータにすることができ、それにより１つのタイプを外し別のタイプと簡単に交換することによって、１つのタイプの鏡から別のタイプの鏡にかなり容易に変換することができる。
【００１６】
別のタイプのアクチュエータ取り付け部が図５に示されており、図面は３段階の取り付けを示しており、まずアクチュエータ３０ｃに結合タブ３２ｃ及び３４ｃが供給され、接着剤でつけられる。次にこのアセンブリは、タブ３２ｃ及び３４ｃ中のスロット４０及び４２を凹部２２ｃの縁部にはめ込むことによって主要リブ１８ｃの凹部２２ｃが取り付けられて、図５の５０が示すような最終アセンブリが出来上がる。この場合も、連結部分の一部又はすべてに接着剤を用いてコンポーネントを接合してもよい。
【００１７】
本発明の効力を図６、７、及び８で説明する。図６は剛性に関するトレードオフを示しており、図６の設計枠組み５２については、面密度を１０  ｋｇ／ｍ２以下に定めると、その低い面密度との関連で１．０Ｅ＋０６インチポンドという高い剛性が達成される一方、かなり高い３００Ｈｚの固有振動数を得ることがわかる。図７はエクスカーションに関するトレードオフを示しており、エクスカーションと関連付けられる表面変形及び重力によるたわみのどちらも満足のいく範囲にあることが、インチポンド単位によるセクションごとの剛性によって表されている。修正能力に関するトレードオフを示す図８において、修正能力はゼルニケ（Ｚｅｒｎｉｋｅ）多項式に対するプロットで示されており、局所修正又は修正能力はゼルニケ多項式が高いところでさえ十分な数のアクチュエータを用いてかなり高いレベルで発揮されることがわかる。十分な数のアクチュエータであっても、小さく軽量なアクチュエータであり高密度で密集させることが可能なので問題にはならない。
【００１８】
図面が示す支持構造は交差するリブによって形成される蜂の巣状構造だが、これは本発明に対する必須の制限ではなく、それらアクチュエータを前記鏡面から離間し且つ略平行が可能なあらゆる構造を用いることができる。例えば、図９が示す鏡の背面２４ａの支持構造は、離間した凸部または柱部６０を構成し、前記アクチュエータ１８ｄは対の柱部の間を接続し、曲げモーメントをもたらし、上記の蜂の巣状構造で説明したように結節点を作り出す。
【００１９】
何らかの適切なハードウェア又はソフトウェアシステムを用いて監視し、本発明のアクチュエータ一体型メニスカス鏡へ制御信号をフィードバックすることができる。そのようなシステムの一例を図１０に説明するが、これはあくまでも例示であって限定するものではない。図面のマイクロプロセッサ７０はＩ／Ｏ装置７２を駆動して電圧をアクチュエータ１８’に提供する。接合画像（ｚｙｇｏ  ｉｍａｇｅ）７４が図１０の鏡面１４によって生成される。マイクロプロセッサ７０はソフトウェア設定によって基準形（リファレンスフィギュア）を確立し（７６）、次に、各アクチュエータに対し、その関連結節点又は領域に対する影響関数を確立する（７８）。次に、この鏡は湾曲環境に曝され（８０）、再びステップ８２で測定される。次に、前記基準を前記測定値から差し引いて残留誤差を求め（８４）、前記残留誤差をアクチュエータ・コマンドに分解（８６）したものをアクチュエータにＩ／Ｏ装置７２を介して適用し（８８）、アクチュエータ１８’に適正な電圧を提供する。このルーチンは前記鏡が最適形状を維持すために、繰り返して実行される。上述の好ましい実施形態は概して領域型であるが、本発明のアクチュエータ一体型メニスカス鏡は、モデル型又は他のどんなタイプで実施することも可能である。
【００２０】
本発明の具体的な特徴は一部の図面で示されており、その他の図面には示されていないが、これはあくまでも便宜上そうしているのであり、各特徴は本発明に従ったその他の特徴のすべて若しくはいずれとも組み合わせることができる。本書において「含む」、「有する」、「持つ」、「・・・を用いて」「・・・と共に」という言葉は広範且つ包括的に解釈されるべきであり、いかなる物理的相互接続にも限定されない。更に、本発明の用途において開示されているいかなる実施形態も、唯一可能な実施形態として解釈されるべきではない。
【００２１】
当業者であれば思いつくであろうその他の実施形態は、付属の特許請求の範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
当業者であれば、好ましい実施形態と付随する図面を基に、その他の目的、特徴、利点を考えつくであろう。
【図１】図１は、本発明に従った、アクチュエータ一体型メニスカス鏡の光学基材の鏡面を示す三次元概略図である。
【図２】図２は、支持部材及び鏡面の下側を示す図１の光学基材の一方の側の三次元図である。
【図３】図３は、アクチュエータが設置されている図２の支持構造の拡大立体図である。
【図４】図４は、アクチュエータ及びアクチュエータ取り付け部の拡大三次元図である。
【図５】図５は、別のアクチュエータ及びアクチュエータ実装を示す拡大三次元図である。
【図６】図６、７、及び８は、図６が剛性をもたらす要因、図７がエクスカーションをもたらす要因、図８が修正能力をもたらす要因を説明するグラフである。
【図７】図６、７、及び８は、図６が剛性をもたらす要因、図７がエクスカーションをもたらす要因、図８が修正能力をもたらす要因を説明するグラフである。
【図８】図６、７、及び８は、図６が剛性をもたらす要因、図７がエクスカーションをもたらす要因、図８が修正能力をもたらす要因を説明するグラフである。
【図９】図９は、本発明に従った別の支持構造の三次元図である。
【図１０】図１０は、鏡面形状を操作するアクチュエータを駆動するためのマイクロプロセッサのソフトウェアに搭載されている方法を示す図式である。
【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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【国際調査報告】
2006520484.tif 000013
2006520484.tif 000014
2006520484.tif 000015
2006520484.tif 000016