(57)【要約】ミラー背面の電極セグメントに電圧を印加することにより変形を制御できる変形可能わん曲ミラーである。ＰＺＴ又はＰＭＮのような電気制限素材からなる２つのプレート（３０，３２）が、その間に挟まれた少なくとも１つの導電層（３４，３６）を伴って一緒に接合される。１つのプレートは外側導電層（４２）と該外側導電層上のミラー面（４８）とを持つ。導電層は電気的に接地される。別のプレートは外側表面に複数の電極セグメント（４０−Ｎ）のパターンを持ち、各電極セグメントは可変の電圧を印加するための別々の電気端子（４４−Ｎ）を持ち、可変の電流が各電極セグメントを通ってかつ少なくとも他のプレートを通って別々に流れ、プレートに可変の伸びを引き起こし、これにより、該プレートをそして順に可変わん曲ミラーを選択的に変形する。
2004523785.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧を印加することにより変形を制御できる変形可能わん曲ミラーであり、
電気制限素材からなる平行な第１及び第２のプレートを具備し、これらのプレートは平行な隣接する内側表面を持ち、かつ該隣接する内側表面間に挟まれた導電層を一緒に結合してなり、この導電層は電気的接地に接続するための電気的端子を持ち、
前記第１及び第２のプレートは同方向に極性が合わせられ、
前記第１のプレートはその前記内側表面に平行な外側表面を持ち、該外側表面上にミラー面が備わっており、
前記第２のプレートはその前記内側表面に平行な外側表面を持ち、該第２のプレートの該外側表面上には電極セグメントのパターンが備わっており、各セグメントは別々の電気端子を持ち、前記わん曲ミラーを選択的に変形するために可変の電圧がそこに印加されるようになっている、
変形可能わん曲ミラー。
【請求項２】
前記電極セグメントのパターンは、ミラー面のスロープを制御するためにミラーに変形を生じさせる電極セグメントのサブパターンを含む、請求項１に記載の変形可能わん曲ミラー。
【請求項３】
前記電極セグメントのパターンは、ミラー面のわん曲を制御するためにミラーに変形を生じさせる電極セグメントのサブパターンを含む、請求項１又は２に記載の変形可能わん曲ミラー。
【請求項４】
前記ミラーは円形であり、前記電極セグメントのパターンは、ミラー面のスロープを制御するためにミラーに変形を生じさせる電極セグメントの外側リングと、ミラー面のわん曲を制御するためにミラーに変形を生じさせる電極セグメントの内側リングとを含む、請求項１に記載の変形可能わん曲ミラー。
【請求項５】
前記電極セグメントの内側リングは、電極セグメントからなる２つの分離した同心のリングを含む、請求項４に記載の変形可能わん曲ミラー。
【請求項６】
前記電極セグメントの外側リングは、該変形可能わん曲ミラーを備えた光学的システムにおいてイメージが反射されるミラー面の領域から放射状に外側に延びている、請求項４に記載の変形可能わん曲ミラー。
【請求項７】
前記電極セグメントの外側及び内側リングは環状スペースによって分離されており、前記第２のプレートの前記外側表面上の前記環状スペースには、電気的接地に接続するために、導電層リングが設けられている、請求項４に記載の変形可能わん曲ミラー。
【請求項８】
前記第１のプレートの前記外側表面とミラー面との間に、電気的接地に接続するために、導電層が設けられている、請求項１、２、４、５、６又は７に記載の変形可能わん曲ミラー。
【請求項９】
前記第１及び第２のプレートの前記隣接する内側表面の間にまたも挟まれた電極セグメントを更に含み、該挟まれた電極セグメントに可変の電圧を印加するための電気的端子を備える、請求項１に記載の変形可能わん曲ミラー。
【請求項１０】
前記挟まれた電極セグメントは、前記導電層から分離されてその周りを囲む外側リングにおいて配列されている、請求項９に記載の変形可能わん曲ミラー。
【請求項１２】
前記ミラーは円形であり、導電性円形ディスクと、該ディスクを囲む電極セグメントの環状リングとを更に含み、該導電性円形ディスクは該リング内の前記電極セグメントと共に前記第１のプレートの前記外側表面とミラー面との間に位置し、該リング内の前記電極セグメントは可変の電圧に接続するための個別の電気端子を持つ、請求項１に記載の変形可能わん曲ミラー。
【請求項１３】
前記円形ディスクは、電気的接地に接続するための電気端子を持つ、請求項１２に記載の変形可能わん曲ミラー。
【請求項１４】
前記円形ディスクは、可変の電圧に接続するための電気端子を持つ、請求項１２に記載の変形可能わん曲ミラー。
【請求項１５】
前記ミラー面は、磨かれた導電層を具備する、請求項１に記載の変形可能わん曲ミラー。
【請求項１６】
前記磨かれた導電層は、電気的接地に接続するための電気端子を持つ、請求項１５に記載の変形可能わん曲ミラー。
【請求項１７】
前記磨かれた導電層は、可変の電圧に接続するための電気端子を持つ、請求項１５に記載の変形可能わん曲ミラー。
【請求項１８】
前記第１及び第２のプレート間に挟まれた前記導電層は、前記第１のプレートの内側表面上の第１の導電層と、前記第２のプレートの内側表面上の第２の導電層とを具備する、請求項１に記載の変形可能わん曲ミラー。
【請求項１９】
前記第１及び第２のプレートを結合するために前記第１及び第２の導電層の間に導電性接着剤の層が設けられる、請求項１８に記載の変形可能わん曲ミラー。
【請求項２０】
前記第１及び第２のプレートが導電性接着剤の層によって一体的に結合される、請求項１に記載の変形可能わん曲ミラー。
【請求項２１】
電圧を印加することにより変形を制御できる変形可能わん曲ミラーであり、
電気制限素材からなる平行な第１及び第２のプレートを具備し、これらのプレートは平行な隣接する内側表面を持ち、かつ該隣接する内側表面間に挟まれた少なくとも１つの導電層を一緒に結合してなり、
前記第１及び第２のプレートは、それぞれ、前記隣接する内側表面に垂直な両極性を持ち、それぞれの極性は同方向に合わせられ、
前記第１のプレートはその前記内側表面に平行な外側表面を持ち、該外側表面上に外側導電層が備わり、該外側導電層上にミラー面が備わっており、
前記隣接する内側表面間に挟まれた前記少なくとも１つの導電層と前記第１のプレートの前記外側表面上の前記外側導電層のそれぞれが、電圧の一つの極を印加するための電気端子を持ち、
前記第２のプレートはその前記内側表面に平行な外側表面を持ち、
前記第２のプレートの外側表面上には複数の導電性電極セグメントのパターンが備わっており、各導電性電極セグメントは別々の電気端子を持ち、可変の電圧の別の極がそこに印加されて、可変の電流が各電極セグメントを通ってかつ少なくとも前記第２のプレートを通って別々に伝達し、これにより前記第２のプレートを選択的に変形し、それに伴い前記わん曲ミラーを変形する、
変形可能わん曲ミラー。
【請求項２２】
前記電極セグメントのパターンは、ミラー面のスロープを制御するためにミラーに変形を生じさせる電極セグメントのサブパターンを含む、請求項２１に記載の変形可能わん曲ミラー。
【請求項２３】
前記電極セグメントのパターンは、ミラー面のわん曲を制御するためにミラーに変形を生じさせる電極セグメントのサブパターンを含む、請求項２１又は２２に記載の変形可能わん曲ミラー。
【請求項２４】
前記ミラーは円形であり、前記電極セグメントのパターンは、ミラー面のスロープを制御するためにミラーに変形を生じさせる電極セグメントの外側リングと、ミラー面のわん曲を制御するためにミラーに変形を生じさせる電極セグメントの内側リングとを含む、請求項２１に記載の変形可能わん曲ミラー。
【請求項２５】
前記電極セグメントの外側及び内側リングは環状スペースによって分離されており、前記第２のプレートの前記外側表面上の前記環状スペースには、電気的接地に接続するために、導電層リングが設けられている、請求項２４に記載の変形可能わん曲ミラー。
【請求項２６】
前記第１のプレートの前記外側表面とミラー面との間に、電気的接地に接続するために、導電層が設けられている、請求項２１、２２、２４又は２５に記載の変形可能わん曲ミラー。
【請求項２７】
前記第１及び第２のプレート間に挟まれた前記導電層は、前記第１のプレートの内側表面上の第１の導電層と、前記第２のプレートの内側表面上の第２の導電層とを具備する、請求項２１に記載の変形可能わん曲ミラー。
【請求項２８】
前記第１及び第２のプレートを結合するために前記第１及び第２の導電層の間に導電性接着剤の層が設けられる、請求項２７に記載の変形可能わん曲ミラー。
【請求項２９】
前記第１及び第２のプレートが導電性接着剤の層によって一体的に結合される、請求項２１に記載の変形可能わん曲ミラー。
【請求項３０】
電圧を印加することにより変形を制御できる変形可能わん曲ミラーであり、
ピエゾ電気素材からなる平行な第１及び第２のプレートを具備し、これらのプレートは、平行な隣接する内側表面と、各内側表面上の導電層と、該導電層と該隣接する内側表面を結合する導電性接着剤層とを有し、
前記第１及び第２のプレートは、それぞれ、前記隣接する内側表面に垂直な両極性を持ち、それぞれの極性は同方向に合わせられ、
前記第１のプレートは、その前記内側表面に平行な外側表面を、該内側表面とは反対側に持ち、該外側表面上に外側導電層が備わっており、該外側導電層上にミラー面を形成する層を持っており、
前記導電層のそれぞれが電気的接地に接続するための電気端子を持ち、
前記第２のプレートは、その前記内側表面に平行な外側表面を、該内側表面とは反対側に持ち、
前記第２のプレートの外側表面上には複数の導電層電極セグメントのパターンが備わっており、各導電層電極セグメントは別々の電気端子を持ち、可変の電圧の別の極がそこに印加されて、可変の電界が各電極セグメントを通って前記第２のプレートに別々に伝達し、これにより前記第２のプレートを選択的に変形し、それに伴い前記わん曲ミラーを変形する、
変形可能わん曲ミラー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ミラーに対して電圧を加えることにより変形を制御することができる変形可能わん曲ミラーに関し、詳しくは、わん曲ミラーの変形を制御するための波面（wavefront: ウェーブフロント，波頭）センサを持つ適応光学システムにおいて使用されるミラーに関する。
【背景技術】
【０００２】
光波の波面（波頭）における収差を検知し、それから、望遠鏡を通して星や惑星を観察するときに影響する大気収差のような該収差を修正又は補償するため用いられる波面センサを含む適応光学方法及び装置には、様々なものがある。波面（波頭）を検知し測定するための既存の方法及び装置は、光学システムを用いて光のパターンの投射を行なうことを含むシャック・ハートマン（Shack-Hartmann）波面検知技術及びその他様々なシステムなど、いくつかの干渉計技術を含む。そのような従来技術及びシステムは典型的に複雑かつ高価であり、また様々な固有の欠陥を持つ。波面センサ従来技術の欠点に加えて、適応光学系用の波面センサによって制御される変形可能ミラーもまた、多くの欠点を含む。例えば、スタック・アクチュエータ・ミラーは、フレキシブルなミラーの背面に結合する多数の押し棒で構成され、各押し棒の伸延と引込みはショック−ハートマン波面センサで通常制御される。シャック−ハートマン波面センサは波面の局所的なスロープを測定し、これらのスロープは、全てのスロープにマッチする１つの連続的な面を順番に生成する波面再構成器で、フィットされる。この種のフィッティングは、アクチュエータのヒステリシス効果に対しては無策であり、それによりミラー表面にワッフル状の模様が出来てしまう。押し棒は隣接する各押し棒のペアの間でミラー表面に直線に近い変形を生じがちであり、少数の押し棒を使用するときは大きなフィッティングエラーをもたらす。更に、押し棒の数と押し棒の近接度とは、物理的に限度があり、また、それらの行程長も同様であり、それにより、スタック・アクチュエータ型のミラーに適用可能な精度と光学的修正度には限度があった。すべてのアクチュエータが同じ行程を持ち、厳密な基準面に取り付けられるので、ミラーは全てのモードにおいて同じストロークを持つこととなり、すなわち、低次フォーカスは１つおきのアクチュエータが交互にオン及びオフされる最高次モードと同じストロークを持つ。大気に由来する収差を修正するためには、最高次モードでの該ストローク範囲は不必要であり、これにより該修正は小さなエラーにとっては正確でなくなるかもしれない。
【０００３】
更に、その他いくつかの波面検知及び変形可能ミラー技術及び装置では、波面を修正してイメージを修正するための全てのタイプの適応光学系に対して、直接的に応用できない。
【発明の開示】
【０００４】
本発明の目的は、電圧を選択的に加えることにより制御された変形を可能にし、適応光学システムにおける光の波面を修正するために広い範囲の正確なわん曲を生成するようにした、新規な変形可能わん曲ミラーを提供しようとするものである。本発明の更なる目的は、ミラーの背面における複数の電極セグメントのパターンを含み、個々の電極セグメントに対する選択的な可変電圧印加によりミラーの特定の応用に必要なミラー変形を生成するために、該電極セグメントが或るサイズと形と配置を持つようにしてなる、変形可能わん曲ミラーを提供しようとするものである。本発明の更に他の目的は、バイモルフ及びモノモルフ構成で一緒に貼り付けられた電気制限的（electro-restrictive）又は磁気制限的（magneto-restrictive）な素材からなる２枚のプレートを含んでなる、変形可能わん曲ミラーのユニークな構造を提供しようとするものである。典型的には、同様なＰＺＴタイプの２枚のプレートは接着剤で固着され、それからミラー表面が一方側に置かれ、複数の電極セグメントのパターンがその間に又は背面側に置かれ、それにより、各電極への可変電圧の印加は、導電層に累積する電荷を引き起こし、これにより、電極セグメントによって定められた個々のエリアにおいて電気制限的プレートの制御された膨張又は収縮を引き起こすための電界を生成する。電極パターンが背面プレート上にある場合、前面プレートは抑止部材として振る舞い、背面プレートの膨張又は収縮で局所的に曲がるモーメントが生じ、これにより、ミラーのその部分のわん曲を生成する。本発明の更なる別の目的は、瞳孔のエッジでの波面のスロープを制御するための１セットの電極セグメントと、瞳孔の内側での波面のわん曲を制御するための別の１セットの電極セグメントとを備える変形可能わん曲ミラーを提供することにある。
【０００５】
本発明のその他の及びより詳しい目的と利点は、以下添付図面に関連して詳細に説明する好ましい実施例の説明から、この技術分野の熟練者に対して明らかにされるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１を参照すると、望遠鏡１０のような光学的システムの簡略化された形態が、符号１２で全体的に示すような適応光学システムを備えて図示されており、本発明の変形可能わん曲ミラー１４を含んでいる。任意の光源Ｌ、この望遠鏡１０が星または惑星の観察のために使用されるときは図示したような星、からの光線Ｒはレンズ１８を通して望遠鏡１０に入り、対象イメージ面ＯＩＰ上に光線の焦点を合わせる。この対象イメージ面ＯＩＰでは、光源Ｌ（ここでは例えば星）のイメージは焦点に存在するが、未修正である。この望遠鏡１０は、また、例えば建物から建物へ、タワーからタワーへ、山から山へ、または地上から宇宙へのデータを伝送するためのシステムにおけるような、地球上に設置されたデータ伝送ステーションＬからの光波を受け取るためのタイプ及び構造であってもよい。
【０００７】
それから、光線Ｒはコリメータレンズ２０を通って本発明の変形可能ミラー１４に行く。こうして、図１では、遠い星又は他の遠隔地の光源Ｌから望遠鏡１０に到達する光線Ｒは、ひずんでおらず、また、理論的には、光源の回折が少ないイメージを生成する。しかし、天文学者に知られているように、地球の大気は望遠鏡１０に到達する前に光線Ｒに収差を作り出し、この収差は、望遠鏡が高い高地に位置するときですらも、大気状態に伴ってかつどんな時期でも急速に変動する。同様に、望遠鏡１０が地球上の遠くにある何かを見るために、あるいは地球上の遠隔地にあるステーションからのデータ伝送用の光波を受信するために使用されるならば、地球の大気は光線Ｒに収差を作り出し、従って、その波面（波頭）は、回折が少ないイメージを生成することができず、望遠鏡１０に到達するときには絶えず変化していることになる。大気収差により引き起こされる波面の変動を検出し、それから、それらの収差を適応光学機器によって、波面センサによって制御された変形可能ミラーを使用することによるものなどによって、補償又は修正するために様々な波面センサが使用されてきている。本発明の変形可能ミラー１４に使用するのに特に適している１つのタイプの波面センサは、波面わん曲センサであり、それは、本出願の発明者らによって２０００年５月２６日に出願された米国特許出願第０９／５７９７８６号に示され記述されているような焦点解除された瞳孔イメージ（defocused pupil images）の対を使用するものであり、この米国出願は参考のために本願明細書中に組み込まれる。
【０００８】
光線Ｒは変形可能ミラー１４の表面からレンズ２２へと反射し、レンズ２２によりイメージ検出器Ｄ上にイメージを再焦点化する。レンズ１８、コリメータレンズ２０、変形可能ミラー１４、レンズ２２、イメージ検出器Ｄは、すべてこのシステムの光軸Ｏ上に中心位置される。イメージ検出器Ｄは、このシステムでの特定の応用に適するものであればどのような手頃のタイプのものを用いてもよく、例えば、ビデオカメラで使用される在来の検出器や、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）の特注様式のものや、ＰＩＮダイオードアレイや、光ファイバーアレイや、光子計数検出器や、その他のものを用いることができる。検出器Ｄは、該検出器Ｄ上にフォーカスされたイメージ全体についての光強度に関するイメージ及び／又はデータを提供し、これらのイメージ及び／又はデータは当該システムでの応用に適した適宜の装置２４で表示及び／又は記録される。変形可能ミラー１４が活性化されずかつ波面センサとの閉ループで作動していないとき、イメージ検出器Ｄで現れるイメージは、望遠鏡１０で受け取った不正確なイメージとなるであろう。変形可能ミラー１４が収差を補償するために以下に述べるようなやり方で適切に変形されるときは、検出器Ｄ上のイメージは回折の少ないイメージすなわち正しいイメージとなるであろう。同様に、このシステムが光波によるデータ伝送用に使用されるならば、図１に示されたシステムに伝送された光線Ｒにおける収差を修正するように変形可能ミラー１４が適切に変形されるとき、検出器Ｄは修正された光線を受光し検出するであろう。更に、そのようなシステムが光線によるデータ伝送に使用されるとき、波面は変形可能ミラー１４によって感知されて修正されることができ、同じミラー形状がイメージ検出器Ｄと同じ配置に位置されたデータ光発生器を予め修正するために使用されることができる。
【０００９】
部分ミラー又はビームスプリッター２６が、光線Ｒの一部を波面センサＳへと反射させるために、レンズ２２と検出器Ｄとの間にて光軸Ｏ上に位置されている。そのような波面センサの１つとして、本発明者らによる上記米国特許出願で開示されたものがある。本発明の変形可能ミラー１４を使用するシステムの好ましい実施例において、波面センサＳは２つの焦点解除された瞳孔イメージ（若しくは波面センサＳにおいて使用されるいくつかの検出器についての形状と光強度）を感知し、該イメージは中央処理ユニットＣＰＵに伝達され、波面わん曲を得るためのかつ変形可能ミラー１４の操作に適したデータを提供するためのデータリダクションソフトウェアによって処理される。特に、この技術分野でよく知られているように、焦点外のイメージの形状に対するディリクレ（Dirichlet）境界条件を持つ強度に関してのポアッソン方程式を解くことにより、波面が得られる若しくは回復される。繰り返しデータリダクションアルゴリズム又は他の非線形適応化技術が、オープンループシステムにおける測定の非線形性を補償するために使用されてよい。ＣＰＵは、それから、複数の個別の制御された高電圧の電気ポテンシャルを、同様に複数の個別の配線Ｗ−１，Ｗ−２，Ｗ−３乃至Ｗ−ｎを介して、変形可能ミラー１４の背面に設けられた複数の導電性電極セグメント（後述する）に供給する。変形可能ミラー１４は、コリメータレンズ２０から検出器Ｄへと光軸Ｏおよび光線Ｒを反射するように適切に配置されたマウントＭ内にフレキシブルに取り付けられる。変形可能ミラー１４の好ましい実施例の詳細についての以下の説明からより十分に明らかにされるように、ミラーの楕円スロープすなわち光軸Ｏの反射角が、１又は複数の配線Ｗ−１乃至Ｗ−ｎを介して変形可能ミラー１４の選択された電極セグメントに供給される高い電圧の適用によって変更されることができ、この変形可能ミラー１４の表面のわん曲が、同様に配線Ｗ−１乃至Ｗ−ｎを介して制御された高い電圧を適用することによって収差を修正するために変更されるようになっていてよい。
【００１０】
図２を参照すると、図１の２−２線に沿う断面図として、変形可能ミラー１４の一部分の断片的かつ拡大された断面が示されており、図示の容易化のために、ラミネート構造におけるいくつかの層の厚みは誇張して示されている。変形可能ミラー１４の基部の物理的構造は、２枚のディスク又はプレート３０及び３２で構成されており、これは電気的ポテンシャルの適用に応じて制御された伸び縮みを提示する何らかの電気制限素材からなっており、しかし、この素材は所与の形状を維持するのに十分な構造的強度と堅さを持ち、柔軟であるということとは区別される。好ましい素材はセラミックＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）であり、それはＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｏで構成されるピエゾ電気材料であり、可能な代替物としてはＰｂ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｏで構成されるＰＭＮ（マグネシウムニオブ酸鉛）として知られた磁気制限素材がある。電気制限素材からなるプレート３０，３２は、光学的に平坦な表面と変形可能ミラー１４のサイズに依存する均一な厚みとを生成するために別々に磨かれるが、概して、電圧によって生起される伸び縮みによって引き起こされるわん曲に順応するのに十分な薄さを持つ。例えば、直径約５０ｍｍの変形可能ミラー１４において、各ＰＺＴプレート３０，３２は好ましくは、０．１ｍｍよりも大きく２ｍｍよりも小さい厚みを持つであろう。同様に、直径約１５０ｍｍの大きなミラー１４においては、各ＰＺＴプレート３０，３２は好ましくは、約２．０ｍｍ乃至８．０ｍｍの厚みを持つであろう。金又はその他の良導電性素材（以下では便宜上、金であるとして述べる）からなる層３４がプレート３０の下層に配設され、金の層３６がプレート３２の上層に配設され、それから２つのプレート３０，３２が一緒にラミネートされ、導電性の接着剤３８で接合される。ＰＺＴプレートは、変形可能ミラー１４に対して垂直な方向に両極性を持ち、プレートを横切って一方向に電圧が印加されるときＰＺＴを伸長させ、プレートを横切って反対方向に電圧が印加されるときＰＺＴを収縮させるようにする。２つのプレート３０，３２を接着剤３８で接合する前に、これら２つのプレート３０，３２の各極性を整列させる。すなわち、印加される電圧によって生ぜしめられる電界が、図２に示すように、上部で正ポテンシャル、下部で負ポテンシャルのとき、各プレート３０，３２がミラー１４に対して直角な方向に物理的収縮を提示するであろう。こうして、以下の説明でより明らかになるように、何らかの電界が本来的に不活性な下層のＰＺＴプレート３２を横切る限りにおいては、２つのプレート３０，３２の伸び縮みの方向は、互いに反対になる傾向にあるというよりも、むしろ、同じになるであろう。
【００１１】
接着層３８によって２つのプレート３０，３２が一緒に接着された後、プレートマスク（図示せず）が外側表面３０ａに適用されて、下記に述べるように、所定のパターンが作成され、それから、金の層４０，４２が各プレート３０，３２の外側表面３０ａ，３２ａに施される。マスクと表面３０ａ上の該マスクをカバーしている金は、金の電極４０−１，４０−２乃至４０−Ｎのパターンを残して、除去される。図２の部分図では、便宜上、３つの電極だけが拡大して示されている。
【００１２】
ミラー層４８は、エポキシ複製（replication；レプリカ法）のような何らかの手頃な手段によって、プレート３２の外側表面３２ａに適用される。その場合、ミラー層４８はまず別に形成されそれから表面３２ａに貼着される。エポキシ複製法によってミラー層４２を形成することは、平坦な表面にモールド分離材料を適用するステップと、銀や金のような反射性素材を適用し、その後、プレート３２の外側表面３２ａ上の金層４２に対してエポキシのような適当な固着剤でミラー層４８を貼り付ける前にエポキシ層を塗布するステップと、上昇された温度でこのアセンブリを保存処理するステップとを含む。分離されたミラー層４８に対する変更例としては、金（又はその他の素材）の層４２の外側表面が、鏡面の様に磨かれるようにしてもよく、この変形可能ミラー１４のいくつかの応用例にとってはそれで十分でありうる。
【００１３】
電気端子４４−１，４４−２乃至４４−Ｎが、はんだ付けのような何らかの手頃な手段によって、電極セグメント４０−１，４０−２乃至４０−Ｎに取り付けられる。それから、絶縁層４６が、金の層４０（電極セグメント４０−１，４０−２乃至４０−Ｎで構成される）の上に適用され、マスク素材で形成された電極セグメント間のギャップを充填する。
【００１４】
変形可能ミラー１４が図１に示すような適応光学システム内にインストールされるとき、配線Ｗ−１乃至Ｗ−Ｎが端子４４−１乃至４４−Ｎにそれぞれ取り付けられる。また、電気端子及び配線は、変形可能ミラー１４のエッジのような何らかの手頃な手段によって、又は変形可能ミラー１４の周辺近くをドリル穴あけして１又は複数の端子及び配線を装着することによって、中間の金層３４，３６と外側金層４２にも取り付けられる。これまで述べたように、好ましい一実施例において、金層３４，３６，４２がすべて接地接続され、正電圧が１または複数の配線Ｗ−１乃至Ｗ−Ｎに印加されるようになっており、電界は電気的ポテンシャルが印加された各電極セグメント４０−１乃至４０−Ｎから金層３４へと電気制限プレート３０を通って現われ、いくらかの電荷は導電性接着層３８を通って金層３６に流れ、プレート３２を横切って接地された金層４２に向かう電界を確立するであろう。この電界はプレート３０の横の伸びを引き起こし、また、より少ない度合いでプレート３２の方に引き起こす。各電極セグメント４０−１乃至４０−Ｎの下の伸びの大きさは、該電極セグメントに印加される電圧の大きに依存し、その伸びは順に、プレート３０，３２の材質の電気制限特性（electro-restrictive property）の結果として、ミラー１４が制御された手法で変形することを引き起こす。
【００１５】
ミラー１４の動作の基本的な原理の更なる説明をすると、後部プレート３０が電極セグメント４０−１乃至４０−Ｎが貼付られた領域において伸び縮みするとき、つまりこれらの電極セグメントに印加された電圧によって電界が発生されるとき、前部（ミラーのある）プレート３２はそれに対応して伸び縮みせず、従ってミラー１４に曲げモーメントがもたらされる。このミラー１４の基本的な実施例において、前部プレート３２の両側は金層によって電気的に接続され、熱膨張係数が接地によって制御されるが故に、熱による伸び縮みに関して、前部プレート３２と後部プレート３０が機械的に同じように振る舞うようになっている。伸び縮みを引き起こす温度変化によるＰＺＴの電荷の増加は、ＰＺＴ中にエネルギを蓄え、ミラー表面４８のわん曲の制御にとって不利に影響する。
【００１６】
図３〜６は、変形可能ミラー１４上の電極４０の４つの典型的なパターンを、背面から見た平面図であり、判り易くするために端子４４−１乃至４４−Ｎの図示は省略してある。また、図示の便宜と電極パターンの比較のために、図３，４，５，６の各変形可能ミラー１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄはそれぞれ丸くかつ同じサイズとしているが、この技術分野の熟練者にとっては容易に判るように、変形可能ミラー１４は、レーザのような円形ではない適応光学システムにおいては円形でなくてよいものであり、また、異なるサイズの望遠鏡などにあってはそのサイズもそれぞれ適宜異なっていてよい。プレート３０の外側表面３０ａ上の電極セグメント４０−１乃至４０−Ｎのパターンは、前述したように、金の層４０を適用する前に該外側表面３０ａに適用されるマスクによって形成される。各変形可能ミラー１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄのマスクは、プレート３０の露出された表面からなる周辺リング３０ｂを作成する周辺部分を含み、プレート３２の外側表面３２ａと同様に、支持マウント（図１）において該変形可能ミラー１４を取り付けるための部分となる。マスキング素材の薄いストリップが表面３０ａ上にスポーク状に放射状に延び、円形リング状に形成される各隣接電極セグメント４０−１，４０−Ｎ間にてギャップ３０ｃを形成する。これらのリングは、図３〜６に示されるような外側リング５０と内側リング５２と図６に示されるような中央リング５４のようなモノである。図３，４，５の実施例においては、外側リング５０には６つの電極セグメントがあり、また、内側リング５２を形成する６つの電極セグメントがあり、一方、図６の電極パターンでは、外側リング５０には１８の電極セグメント４４、内側リング５２には１２の電極セグメント、中央リング５４には６つの電極セグメントがあるが、電極セグメントの数と分離されたリングの数は、個々の応用例に応じて如何なる数であってもよい。
【００１７】
図３〜６に示された各電極パターンにおいて、電極セグメントの外側リング５０と内側リング５２との間に環状スペースが設けられ、この環状スペースにおける環状の点線Ｃは、光学システムによって受けられるイメージの外径を示しており、それは例えば望遠鏡１０で受け取られる瞳孔イメージの外径に相当する。同様に、図３〜６における各ミラー１４の中央のダッシュ線Ｃ’は、反射式天体望遠鏡の瞳孔イメージの内径を示しており、この円Ｃ’の内側にはイメージが存在しない。換言すれば、図３〜６に示された電極パターンを持つ表面部分の反対側のミラー層４８は変形可能ミラー１４の表面の全体をカバーしてよいが、天体望遠鏡からのイメージは、外径Ｃと内径Ｃ’との間のミラー部分からだけ反射される。非反射式望遠鏡あるいはその他の光学システムにおいては、環Ｃ’の内側のブランクスペースがなく、イメージは外側環Ｃの内側の領域全体をカバーする。
【００１８】
図３〜６に示された本発明の電極パターンの典型的な実施例において、電極の外側リング５０は、該外側リング５０における各電極セグメント４０−１，４０−Ｎに対して電圧を選択的に印加することによりミラーのスロープを制御し、これにより、適応光学システムに関連して如何なる望みの目的のためにでも、構造的な限界の以内で、全体のミラーのスロープをどんな方向または量にも傾ける又は変化させる。電極セグメントの内側リング５２は、図６の中央リング５４と同様に、適切な電圧を各電極セグメントに印加することにより、ミラー表面のわん曲を制御する。電極セグメント間のギャップ３０ｃは隣接するセグメントを互いに絶縁するのに十分な広さを持つが、プレート３０を通って接地された層３４，３６，４２へと通ずる電界が渡ってセグメント間でオーバラップするのに十分な小ささであり、異なる電圧が隣接する電極セグメント４０−１，４０−Ｎに印加されるときミラー層４８の表面上でスムーズな変わり目を提供する。この構成により、部分的に外側リング５０が偏向の一部を引き起こし、内側リング５２と中央リング５４がそれ以上の追加の偏向を実現するので、全体でほぼ１００ミクロン（０．１ｍｍ）の変形可能ミラー１４の中心の偏向が達成される。これは、ミラーの中央ですら、基準ベースプレートから典型的に８ミクロン（０．００８ｍｍ）の限定された変位を持つ押し棒を使用するシャック・ハートマン（Shack-Hartmann）システムとは区別される。図３は、以上述べた機能と利点を持つ基本的な電極セグメントパターンを示し、図４〜６はいくつかの変形例を示す。
【００１９】
図４をもっと詳しく参照すると、図３に示された実施例の変更例として、金の層からなる中間リング５６が電極セグメントの外側リング５０と内側リング５２との間の環状スペース内に形成される。中間リング５６は、プレート３０の表面３０ａのその部分上での静電チャージの増加を阻止するために電気的に接地される。そのような静電チャージは、プレート３０の伸び縮みと動きによって引き起こされ得るし、若しくは、反対に、プレート３０の望まない伸び縮みと動きを引き起こすかもしれない。中間リング５６は、同じマスクの適切な形状によって金層４０と同時に付与されるようになっていてよく、又はそれに続くプレート製造工程で付与されるようになっていてもよい。
【００２０】
図５をもっと詳しく参照すると、図４に示された中間リング５６と同様の目的のために、中間リング５６’が電極セグメントの外側リング５０と内側リング５２との間の環状スペース内に形成される。該リング５６’は、分離されて円周方向に延びた複数の（図の例では６個の）セグメント５８で形成され、金層４０の形成の際に同じマスクによってセグメント５８間に形成されるギャップを空けてなり、このギャップはマスク用の接続部分を持たせることによりマスクの構造を単純化する。プレート形成工程とセグメント５８形成用のマスク除去の後、導電性素材からなるコネクタ６０が各セグメント５８間に施されて、接地される導電性リング５６’となるようにそれらを接続する。中間リング５６’’は図６にも示されており、同じ目的のための図４及び図５に示されたタイプのものと同じであってよい。
【００２１】
図６をもっと詳しく参照すると、電極セグメントの中央リング５４は、それらの電極セグメントの部分がイメージの内側端を示すダッシュ線Ｃ’から放射状に内側にあっても、ミラー層４８のわん曲の追加的な制御を提供する。勿論、非反射式望遠鏡又はその他の適応光学システムにおいて、中央リング５４のこれらのセグメントは、イメージがその部分から反射されるので、ミラー層４８のその部分のわん曲を制御するのに重要となるであろう。
【００２２】
図７の図７Ａ〜７Ｅを参照すると、変形可能わん曲ミラー１４についての、異なる層と異なる電極パターンの様々な実施例が、それらに対する電気的接続と共に、模式的に示されている。特に、電極パターン層４０は、変形可能ミラー１４の一方の外側面として、各図の最上部に示されており（端子４４−１，４４−Ｎと電極層４０上に塗布された絶縁層４６は図示省略している）、また、ミラー表面層４８は、変形可能ミラー１４の他方の外側面として、各図の最下部に示されており、その間の各層は図２に示された上部から下部に至る順で図示されている。換言すれば、電極層４０のすぐ下はプレート３０であり、それから金層３４、接着層３８、金層３６、電気制限プレート３２、金層４２の順に、最後はミラー層４８である。いくつかの層は、他の層と区別するためにその表面にハッチングを付して図示しているが、これらが断面図であることを示しているのではない。また、図７Ａ〜７Ｅの電極パターン層４０は、商業的に使用されるであろう電極パターンを必要的に図示することなく、実施例における相違を示すために単に概略図的に示されている。更に、取り付け用の周辺部３０ｂは、単純化と明瞭化のために図示を省略してある。図７Ａ〜７Ｅは、また、変形可能ミラー１４の様々な導電層すなわち電極セグメント層４０、金層３４，３６，４２に対する電気的接続を、層全体又は個別の電極セグメントの各々に対する個々の可変の高電圧を示す「ＨＶ」の文字を伴って、図示している。ただし、図示の単純化のために、例えば図７Ａの電極セグメント層４０のように、それらの全てのセグメントに対して単一のラインを用いて示されている。更に、電気システムの接地側は、例えば図７Ａの下部左側に示すように電気的な接地記号で示すか、又は「ＧＮＤ」の文字で示される。
【００２３】
図７Ａの実施例を詳しく参照すると、これは図２に関して示されかつ説明された実施例と同様のタイプであり、金層３４，３６，４２が図７Ａの下部左側に示すように全て電気的接地に接続される。電極層４０の複数の電極セグメント４０−１乃至４０−Ｎは、高電圧ＨＶの制御可能な電源にそれぞれ個別に接続され、ミラーを変形させるために各セグメント４０−１，４０−Ｎに所望の電圧を選択的に印加する。電界は電気制限プレート３０を横切って接地された金層３４に適用される。単一の金層３４は、電極層４０から供給された電気のすべてを導通して接地するのに十分なものとされる。金層３６と４２の追加の電気的接地は、何らかの漏れ電気の可能性を除去し又はこの実施例においては制御されない第２のプレート３２に影響する静電チャージを除去するために設けられている。
【００２４】
図７Ｂを参照すると、ミラー１４の制御された変形を引き起こすための電極セグメントの別の配置例が示されており、外側リングが（金層４０にではなく）金層３４に設けられた電極セグメント３４−１乃至３４−Ｎからなり、これは図３〜６に関連して説明された電極セグメントの外側リング５０と同様のものであり、層４０における金の環状のリング６２がプレート３０の反対側で接地され、これにより、電界が電気制限プレート３０を横切って接地リング６２へと負荷されるように、可変の高電圧をセグメント３４−１乃至３４−Ｎに印加することにより、ミラー１４のスロープが少なくとも部分的に制御される。同様に、第２の中間金層３６に電極セグメント３６−１乃至３６−Ｎからなる外側リングが設けられており、これらは各電極セグメント３４−１乃至３４−Ｎにそれぞれ重なるようになっていて、その間に導電性接着層がある。また、金層４２の一部からなる外側金リング６４が他の電気制限プレート３２の下部に接して設けられる。このリング６４は接地され、これにより、電界が層３６の電極セグメント３６−１乃至３６−Ｎの間でプレート３２を通って接地リング６４へと生じめられる。層４０は中央部分における電極セグメントを設けてなり、これは例えば図３〜５に示されたような内側リング５２又は図６に示されたような内側リング５２と中央リング５４の電極セグメントからなり、イメージが反射される変形可能ミラー１４の中央部分のわん曲を制御するために、該電極セグメントに可変の高電圧が供給される。金層３４，３６には中央円又はディスク６６，６８が設けられ、これらは層４０の電極セグメントの内側リングと中央リングの反対に位置し、ミラーのわん曲を制御するために、電界がこれらのセグメントから第１の電気制限プレート３０を通って生成されるようにする。下部の金層４２もまたディスク６６，６８に対して中央ディスク７０が設けられており、これは図７Ａの実施例における層４２に関して述べたのと同じ目的のために接地されている。これとは反対に、ディスク７０は、第２の電気制限プレート３２を横切って接地されたディスク６６，６８へと電圧を印加するために高電圧源に接続されるようになっていてもよく、これにより、中央電極セグメント４０−１乃至４０−Ｎによって引き起こされる個別のわん曲変形に加えて、余分のフォーカス・ストロークとして、変形可能ミラーの広くかつ均一な偏向を引き起こす。リング６４とディスク７０の間の電気的なアークの可能性を最小限にするために、ミラー層４８は、ディスク７０のサイズと大体同じか若しくはそれより小さい中央部分に制限されてよい。図７Ｂのこの配置は、図７Ａの配置に比べて、エッジアクチュエータのストロークを２倍にする。電圧が１又は複数のエッジアクチュエータセグメント３４−１乃至３４−Ｎ及び３６−１乃至３６−Ｎに印加されるとき、両プレート３０，３２は、１つの伸びるエリアと、それに対向する（重なっている）別の縮むエリアとで応答し、曲げ動きを本質的に２倍にする。個別の電極セグメント３４−１乃至３４−Ｎは、導電性エポキシで満たされた穴によって、対応するセグメント３６−１乃至３６−Ｎに電気的に接続されていてよい。
【００２５】
図７Ｃの実施例を参照すると、金層４０には内側リング及び／又は中央リング部分において電極セグメント４０−１乃至４０−Ｎが設けられており、それらは可変の高電圧源に接続され、図７Ｂの実施例と同様に、変形可能ミラー１４においてわん曲変化を生ぜしめる。中間の又は中央の金層３４，３６は、図７Ａの実施例と同様に、接地される。下部の金層４２には、図３〜６に示された実施例の外側リング５０と同様の、セグメント４２−１乃至４２−Ｎの外側リングが設けられており、可変の高電圧が変形可能ミラー１４のスロープを制御するためにそこに印加される。上部の金層４０にも電極セグメント４０−１乃至４０−Ｎの外側リングが設けられており、これらは各セグメント４２−１乃至４２−Ｎにそれぞれ対向して位置される。加えて、下部の金層４２には中央ディスク７０が設けられており、それは接地されるか又は第２の高電圧源に接続され、図７Ｂの実施例のディスク７０と同様に、余分のフォーカス・ストローク用に、変形可能ミラー１４の広くかつ均一な偏向を提供する。同様に、上述したように、アークを無効にするために、ミラー層４８はディスク７０の中央エリアに限定されるかもしれない。図７Ｃのこのような配置は、図７Ｂのような配置のエッジアクチュエータのストロークの２倍化と同じことを実現するが、エッジ電極セグメントの電気的接続はそれよりも容易である。
【００２６】
図７Ｄを参照すると、電極セグメント及び接地層の配列についての別の実施例が示されており、ここでは、上部の金層４０と中央の金層３４，３６は、図７Ａのものと実質的に同じであり、ミラー１４のスロープとわん曲の双方が金層４０の電極セグメント４０−１乃至４０−Ｎの外側、内側及び中央リングに設けられた電極セグメントによって制御され、層３４，３６は接地される。加えて、下部の金層４２は第２の高電圧に接続され（図７Ａのように接地ではなく）、電界が第２の電気制限プレート３２を通って接地層３４，３６に提供され、ディスク７０に第２の高電圧が印加されるとき、図７Ｂ及び７Ｃの実施例における中央ディスク７０の機能と同様に、余分のフォーカス・ストローク用に、変形可能ミラー１４の広くかつ均一な偏向を生ぜしめる。
【００２７】
図７Ｅを参照すると、この発明に係る既に述べた変形可能ミラーとは異なる使い方がされる変形可能ミラー１４の別の実施例が線図的に図解されている。上部の金層７２は単一の円又はディスクであり、既に述べた上部金層４０のような複数の電極セグメント４０−１乃至４０−Ｎを持たない。図７Ｅの実施例は、上部の金層７２から、下に順に、電気制限プレート３０、金層３４、導電層３８、金層３６、電気制限プレート３２、下部の金層４２、ミラー層４８を含んでおり、これらは図２に関して述べたのと実質的に同様に構成されてよい。図７Ｅの変形可能ミラー１４ｅは、図示のように、可変の高電圧源に接続された２つの中央の金層３４，３６と、接地された上部金層７２及び下部金層４２とを持つ。層３４，３６の電気ポテンシャルがプレート３０，３２を通して接地された層７２，４２へとそれぞれ適用されることにより、全体的な変形可能ミラー１４ａはミラー層４８上の凹んだ表面を形成するように変形するであろう。これにより変形可能ミラー１４ａはミラー層４８から反射されるイメージの焦点距離を変化させるために使用されてよい。この実施例においては、それらを通る電界が逆であるために、電気制限プレート３０，３２の両極性は、同じ向きに整列しておらず、むしろ反対であり、従って変形が加法的である。変形可能ミラーのこの形式は、適応光学システム（adaptive optics system）における波面修正とは区別されるものとして、光学的システム（optical system）における共役調整（conjugate tuning）に有益であり、それは光波を使用するデータ伝送システムにおける共役調整用の波面センサに関連して有益であろう。図７Ｅの実施例において、印加された電気ポテンシャルの極性は逆にしてもよい。すなわち、中央の金層３４，３６を接地し、変形可能ミラー１４ｅの焦点距離を変化させるために、外側の金層７２，４２が可変の高電圧で印加されるようにしてもよい。
【００２８】
再び図１を参照すると、図２〜６と図７Ａ〜７Ｅ及びその変更例に関して詳細に説明された変形可能ミラー１４は、図１の光学的システムにおいて、あるいは本発明の変形可能ミラー１４を使用することにより光の波面を修正するための適応光学に適用できるその他の光学的システムにおいて、使用されうることが理解できる。光線Ｒが変形可能ミラー１４により反射され波面センサＳにより受光されるとき、該波面センサＳはＣＰＵを介して各電極セグメント４０−１乃至４０−Ｎ（または様々な実施例における３４−１乃至３４−Ｎ、３６−１乃至３６−Ｎ、４２−１乃至４２−Ｎなど）に適切な高い電圧ＨＶを印加し、波面センサが平坦な波面を検知するまでミラー１４のミラー層４８のスロープとわん曲が頻繁にかつ即座に変更され、このような絶え間ないフィードバック方式において変形可能ミラー１４によって波面が修正されて平坦な波面が得られ、こうして、回折の制限されたイメージが検出器Ｄで観察される。波面の変化が起こるとき、そのような変化は波面センサＳで検知され、変形可能ミラー１４のわん曲及び／またはスロープが変更されるようにされ、該波面の変化を修正し、検出器Ｄに到達する波面が絶え間なく修正されることを保証する。最初に、図１の光学的システム、あるいは、変形可能ミラー１４を使用する適応光学配列を持つその他の同様な如何なる光学的システムは、波面センサＳが変形可能ミラー１４のミラー層４８が回折の制限されたイメージを提供しているかどうかを検出できるように、制御された光源を導入することによって較正されるようになっているとよい。製造上の欠陥またはその種の理由によって、回折の制限されたイメージを提供していない場合は、光学的に正しい状態にミラーを修正するために、波面センサＳとＣＰＵは、変形可能ミラーの電極セグメントに対して適切な高電圧を印加する。その後、該光学的システムが使用され、入射する光線Ｒの波面が大気の収差によって少しも回折制限されたものとなっていないとき、波面を修正するために、追加の又は異なる高電圧が、変形可能ミラー１４に対して、波面センサＳとＣＰＵから配線Ｗ−１乃至Ｗ−Ｎを通して該ミラーの電極セグメントへと、印加される。
【００２９】
以上では本発明の変形可能ミラーは特定の光学的システムすなわち図１に示された望遠鏡に関連して説明されたが、これに限らず、この技術分野の熟練者であれば容易に判るように、波面修正用の適応光学が使用される如何なる光学的システムにおいてもこの変形可能ミラーが使用でき、また、該変形可能ミラーの精密な構成と電極セグメントのパターン配列についての多数の変形及び変更例が、本明細書で述べたことに加えて、請求の範囲で定義された発明からかけ離れることなく、適宜なし得る。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の変形可能わん曲ミラーを含む適応光学機器システムを設けてなる典型的な光学的システムすなわち望遠鏡を線図的に示す説明図。
【図２】図１の２−２線に実質的に沿う変形可能わん曲ミラーの部分の断片的かつ拡大された断面図。
【図３】電極セグメントの４つの異なるパターンのうちの１つを説明するための本発明に係る変形可能わん曲ミラーの背面から見た立面図。
【図４】電極セグメントの４つの異なるパターンのうちの別の１つを説明するための本発明に係る変形可能わん曲ミラーの背面から見た立面図。
【図５】電極セグメントの４つの異なるパターンのうちの更に別の１つを説明するための本発明に係る変形可能わん曲ミラーの背面から見た立面図。
【図６】電極セグメントの４つの異なるパターンのうちの更に他の１つを説明するための本発明に係る変形可能わん曲ミラーの背面から見た立面図。
【図７】図７Ａ〜図７Ｅは、本発明に係る変形可能わん曲ミラーの様々な実施例の構成を説明するもので、異なる素材の層を展開してそれぞれ示す線図。
【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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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
2004523785.tif 000035