可変形鏡
【課題】高分解能で鏡面変位を操作することが可能でありながら、鏡面を変歪させる際の過大な応力によって鏡を破損することを防止できる可変形鏡を提供すること。
【解決手段】可変形鏡は、変形可能な弾性体の鏡１と、鏡の裏面に接続され、鏡の変形を行う複数の駆動機構ユニット２とを備える。駆動機構ユニットのそれぞれは、ユニット移動端４と、ユニット固定端５と、アクチュエータ３と、第一の弾性体６及び第二の弾性７とを含む。第一の弾性体は、その一端がユニット移動端に接続され、他端がユニット固定端に接続されている。第二の弾性体は、その一端がアクチュエータの可動端に接続されており、他端がユニット移動端に接続されている。第一の弾性体の剛性は、第二の弾性体の剛性よりも高い。弾性体の鏡は、第一の弾性体と、第二の弾性体と、弾性体の鏡との三者の剛性の組み合わせによって定まるユニット移動端の移動によって変形される。
【解決手段】可変形鏡は、変形可能な弾性体の鏡１と、鏡の裏面に接続され、鏡の変形を行う複数の駆動機構ユニット２とを備える。駆動機構ユニットのそれぞれは、ユニット移動端４と、ユニット固定端５と、アクチュエータ３と、第一の弾性体６及び第二の弾性７とを含む。第一の弾性体は、その一端がユニット移動端に接続され、他端がユニット固定端に接続されている。第二の弾性体は、その一端がアクチュエータの可動端に接続されており、他端がユニット移動端に接続されている。第一の弾性体の剛性は、第二の弾性体の剛性よりも高い。弾性体の鏡は、第一の弾性体と、第二の弾性体と、弾性体の鏡との三者の剛性の組み合わせによって定まるユニット移動端の移動によって変形される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変形鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
可変形鏡は、光学素子の歪などに基づく光波面の歪みを補正するもので、補償光学装置、アレイレーザ発振器、画像処理装置などに用いられている。このため、可変形鏡には、光の波長オーダーあるいはそれよりもこまかいオーダーの分解能で鏡の形状（凹凸）を変形可能にすることが要求されている。
【０００３】
可変形鏡の構造については、例えば、特開平５−３３３２７４号公報（特許文献１）に示されるものなどがある。かかる可変形鏡では、変形すべき鏡を、圧電素子等のアクチュエータの伸縮にて変形させる構造とし、アクチュエータと鏡との間は、金属またはセラミックで形成されたプッシャーにて接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−３３３２７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような可変形鏡にあっては、アクチュエータと鏡との間が、金属またはセラミックなどの硬い材料で形成されたプッシャーで接続されていたので、変形の駆動源たるアクチュエータの発生する変位が、そのまま鏡の変位となる。このため、光の波長オーダーあるいはそれよりも細かいオーダーの分解能で鏡の形状を変化させたい場合には、アクチュエータ自身が高い分解能を有する必要があり、現実的に使用可能なアクチュエータとしては圧電素子などに限定されていた。その一方で、圧電素子は、比較的剛性が高いものであるため、アクチュエータの発生する変位が、ほぼそのまま鏡の変位となり、アクチュエータが、操作ミスや駆動制御装置の暴走など、何らかの原因で、予定しない大きな変位を生じた場合には、鏡に過度な強制変位を生じさせることになり、鏡を破壊してしまう場合があった。
【０００６】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、高分解能で鏡面変位を操作することが可能でありながら、鏡面を変歪させる際の過大な応力によって鏡を破損することを防止できる可変形鏡を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した目的を達成するため、本発明の可変形鏡は、変形可能な弾性体の鏡と、前記鏡の裏面に接続され、該鏡の変形を行う複数の駆動機構ユニットとを備え、前記駆動機構ユニットのそれぞれは、ユニット移動端と、ユニット固定端と、アクチュエータと、第一の弾性体及び第二の弾性体とを含み、前記第一の弾性体は、その一端が前記ユニット移動端に接続され、他端が前記ユニット固定端に接続されており、前記第二の弾性体は、その一端が前記アクチュエータの可動端に接続されており、他端が前記ユニット移動端に接続されており、前記第一の弾性体の剛性は、前記第二の弾性体の剛性よりも高く、前記第一の弾性体と、前記第二の弾性体と、前記弾性体の鏡との三者の剛性の組み合わせによって定まる前記ユニット移動端の移動によって前記鏡が弾性変形される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の可変形鏡によれば、高分解能で鏡面変位を操作することが可能でありながら、鏡面を変歪させる際の過大な応力によって鏡が破損することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施の形態に係る可変形鏡を模式的に示す断面図である。
【図２】本実施の形態の可変形鏡において剛性にかかわる特性を概念的に示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明に係る可変形鏡の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。
【００１１】
図１は、本発明の一実施の形態に係る可変形鏡を模式的に示す断面図である。略平面形状の弾性体で構成された鏡１の裏面側には、複数の駆動機構ユニット２が配設されている。駆動機構ユニット２は、座標系２０におけるＸ軸方向、Ｙ軸方向の各方向について３列以上の配列で、総数が４個以上設けられており、２次元的なアレイ状に配置されている。なお、座標系２０は、鏡１の略中央付近を中心に、鏡面の法線方向をＺ軸（紙面上下方向）とし、鏡の面内方向をＸ軸（紙面表裏方向）およびＹ軸（紙面左右方向）とする、直交座標系としている。
【００１２】
駆動機構ユニット２はそれぞれ、１箇所で鏡１の裏側に結合されており、その結合点で鏡１を押し引きすることにより鏡１の面形状（凹凸）を変化させることができる。駆動機構ユニット２は、リニアアクチュエータ３、ユニット移動端部材４、ユニット固定端部材５、第一の弾性体６及び第二の弾性体７を備えている。
【００１３】
リニアアクチュエータ３は、移動子３Ａ、ボールネジ軸３Ｂ、減速器３Ｃ及びモータ３Ｄを有している。移動子３Ａは、具体的には、ボールネジの移動ナットである。モータ３Ｄは、所望の軸回転量を与えうるものであればよく、図示しない電源を遮断した状態においても有限の保持トルクを維持できるものであり、たとえばステッピングモータもしくはサーボモータを用いることができる。
【００１４】
モータ３Ｄは、図示しないモータ駆動装置にて駆動制御される。モータ３Ｄの軸回転量は、減速器３Ｃによって適当な値に変換されて、ボールネジ軸３Ｂに伝達される。ボールネジ軸３Ｂの回転量は、移動子３Ａの、軸線方向（Ｚ軸方向）の並進移動量に変換される。
【００１５】
移動子３Ａは、鏡の面外方向に弾性変形可能な第二の弾性体７（本実施の形態ではコイルバネ）の一端に接続されており、第二の弾性体７を伸縮させる。第二の弾性体７の他端は、ユニット移動端部材４に接合されている。ユニット移動端部材４は、第二の弾性体７に接続されていると同時に、鏡の面外方向に弾性変形可能な第一の弾性体６の一端にも接合されている。第一の弾性体６の他端は、ユニット固定端部材５に接続されている。
【００１６】
第一の弾性体６は、円筒構造の一部に周方向のきりこみを断続的に入れたもの、あるいは略円筒形のジャバラで構成されたものでもよい。第一の弾性体６、第二の弾性体７は、いずれも、Ｚ軸方向に弾性的に伸縮可能である。
【００１７】
本実施の形態では、第一の弾性体６及び第二の弾性体７はともに略円筒状の部材であり、第一の弾性体６の中に第二の弾性体７が配設され、第二の弾性体７の中にボールネジ軸３Ｂが配設されている。そして、これら第一の弾性体６、第二の弾性体７及びボールネジ軸３Ｂは同軸的に設けられている。よって、各駆動機構ユニットをコンパクト（特にＸ−Ｙ方向にコンパクト）に構成することができる。
【００１８】
第一の弾性体６のＺ軸方向（鏡の面外方向）の剛性（外力／変形量）は、弾性体７のＺ軸方向の剛性に比べて、高いものとなっている。第一の弾性体６と第二の弾性体７とのＺ方向の剛性の比率は、［弾性体６の剛性／弾性体７の剛性］の値が、おおむね５以上、望むらくは１０〜１０００程度の値であることが望ましい。
【００１９】
駆動機構ユニット２はすべて、それぞれのユニット固定端部材５の位置において、同一（共通）のベース８に固定されている。ベース８は、図示しない全体保持構造によって、本可変形鏡の全体を保持する別の構造体に結合されている。全体保持構造は、本可変形鏡の剛体的アライメントを調整可能なティルト調整機能をもたせてあってもよい。
【００２０】
駆動機構ユニット２と鏡１との間は、結合部材９によって離散的に結合されている。結合部材９は、一対の結合部９Ａ，９Ｂと、少なくとも一つ（本実施の形態では一対）のくびれ部９Ｃ，９Ｄと、太軸部９Ｅとを有している。結合部９Ａは、鏡１の裏面にて鏡１に接合されており、接合部９Ｂは、ユニット移動端部材４に接合されている。くびれ部９Ｃ、９Ｄは、太軸部９Ｅの両端（接合部９Ａ側および接合部９Ｂ側）近傍において、それぞれ、軸径を減少させたものであり、弾性的に屈曲可能で、太軸部９Ｅに比べて細く短いロッド形状をなしている。かかる構成によって、結合部材９は、鏡１の法線方向の剛性（外力／変形量）は高く、鏡１の面内方向およびＸ軸まわり、Ｙ軸まわりの回転の変位には剛性が低くなるように構成されている。
【００２１】
鏡１の端部（周縁部）は、鏡面拘束機構１０によってベース８に対して固定されている。鏡面拘束機構１０は、エッジ接合部１０Ａ、弾性支持体１０Ｂ及び支柱１０Ｃを備えている。エッジ接合部１０Ａは、鏡１の周縁部の特定箇所（たとえば鏡全体で３箇所）に離散的に接合されており、弾性支持体１０Ｂは、それらエッジ接合部１０Ａを支柱１０Ｃにつないでいる。弾性支持体１０Ｂは、鏡１がおかれるＸ−Ｙ面に平行に延びており、特に本実施の形態では、Ｘ−Ｙ面に平行な面内において鏡１の板厚の中心（または鏡の重心）を通るように延びており、エッジ接合部１０Ａに連結されて、Ｚ方向に容易に（鏡１よりも柔らかく）撓むことができるように構成された薄板ばねにより構成されている。かかる構成によって、鏡面拘束機構１０は、鏡の面内方向には剛性が高く、鏡の法線方向には剛性が低くなるように構成されている。なお、弾性支持体１０Ｂは、薄板ばねにより構成されていることには限定されず、例えば、Ｘ−Ｙ面に平行な面内において鏡１の板厚の中心を通るように延びたワイヤーにより構成されていてもよい。
【００２２】
また、リニアアクチュエータ３に対しては、リミッター１１が設けられている。リミッター１１は、移動子３Ａに固定されたピン１１Ａと、ユニット固定端部材５の一部に設けられた窓１１Ｂとの組み合わせによって構成されている。ピン１１Ａは、移動子３Ａに固定された状態で窓１１Ｂの内部に入り込むような長さに設定されており、ピン１１Ａの太さ又は移動子３Ａへの取り付け位置は、変更可能である。これにより、移動子３Ａの移動は、ピン１１Ａが窓１１Ｂ内で移動できる範囲内に制限される。なお、上記リミッターはあくまでも一例であり、個々のリニアアクチュエータの可動端の移動可能な範囲を所望の範囲に制限することができる調整可能なリミッターであれば上記以外の構成でもよく、例えば、リミットスイッチ等を用いることもできる。
【００２３】
このような構成によれば、
鏡のＺ方向外力に対する変形のＺ方向剛性（外力／変形量）を Ｋｍ、
第一の弾性体６のＺ方向剛性を Ｋｂ、
第二の弾性体７のＺ方向剛性を Ｋａ、
結合部材のＺ方向剛性を Ｋｃとすると、
ベースを固定端とし、移動子３ＡをＺ方向にＺｄだけ移動させたときの、鏡のＺ方向変位量ＺｍとＺｄとの比率は、式（１）にて表される。なお、式（１）の導出の根拠は、後述する。
Ｚｍ／Ｚｄ＝Ｋａ／［Ｋａ＋Ｋｂ＋Ｋｍ＋（Ｋｍ／Ｋｃ）（Ｋａ＋Ｋｂ）］・・・式（１）
【００２４】
前述の式（１）は、ＫｃがＫａ，Ｋｂ，Ｋｍに比べて十分に大きい場合には、式（２）のように近似的に表すことができる。
Ｚｍ／Ｚｄ≒Ｋａ／［Ｋａ＋Ｋｂ＋Ｋｍ］・・・式（２）
【００２５】
ここで（１）式の導出の根拠を詳細に説明する。図２は、本実施の形態の可変形鏡において剛性にかかわる特性を概念的に示した模式図である。図２において、リニアアクチュエータ３に相当する可変長要素を参照符号３１とし、第二の弾性体７に相当する要素を符号３２とし、第一の弾性体６に相当する要素を符号３３とし、接合部材９に相当する要素を符号３４とし、鏡１の剛性に相当する要素を符号３５とする。
【００２６】
リニアアクチュエータの固定端は、符号３６で示され、その変位が固定されている。第一の弾性体６に相当する要素３３の一端は、固定端３７で固定されている。第一の弾性体６に相当する要素３３の他端は、第二の弾性体７に相当する要素３２と、接合部材９に相当する要素３４とに結合されており、それらの結節点が符号４０で示される。結節点４０は、ユニット移動端部材４に相当する要素である。
【００２７】
鏡１の剛性に相当する要素３５と、接合部材９に相当する要素３４とは、結節点４１において結合されている。鏡１の剛性に相当する要素３５のもう一つの端部は、固定部３８にて固定されている。但し、固定部３８は、鏡の別の支持点もしくは別途設けられた固定機構等による拘束の効果を示すものであり、鏡の剛性Ｋｍは、その固定部３８と結節点４１との間にある剛性をまとめたものである。
【００２８】
ユニット移動端部材４のＺ方向変位は、結節点４０の変位に相当し、Ｚｂで表されている。鏡の変位は、結節点４１の変位Ｚｍで表される。リニアアクチュエータ３の移動子のＺ方向変位は、可変長要素３１と第二の弾性体７に相当する要素３２との結節点３９の変位Ｚｄで表される。
【００２９】
図２に示した要素の静的な力の釣り合いを考えると、まず、結節点４０での静的な力の釣り合いより、式（３）を得る。
−Ｋｂ＊Ｚｂ−Ｋａ（Ｚｂ−Ｚｄ）＋Ｋｃ（Ｚｍ−Ｚｂ）＝０・・・式（３）
【００３０】
同様に、結節点４１での静的な力の釣り合いより、式（４）を得る。
Ｋｍ＊Ｚｍ＋Ｋｃ（Ｚｍ−Ｚｂ）＝０・・・式（４）
【００３１】
式（３）、式（４）より、Ｚｂを消去して整理すると、前述した式（１）が得られる。
【００３２】
次に、比較例を参照しながら、本実施の形態の特徴を説明する。なお、接合部材９に相当する部分のＺ方向の剛性Ｋｃは、一般に、その他の部材のＺ方向のたわみに与える影響を無視できるように、十分に高くするものであるから、以下は、近似式である式（２）にもとづいて説明する。
【００３３】
まず、本実施の形態のような第一の弾性体（剛性Ｋｂ）および第二の弾性体（剛性Ｋａ）がともに無く、駆動機構ユニットのリニアアクチュエータが鏡に直結している第１の比較例を想定すると、式（２）において、Ｋｂ＝０、Ｋｍ／Ｋａ→０とおけるので、かかる第１の比較例では、式（２）に代えて、式（５）が成り立つ。
Ｚｍ／Ｚｄ≒１・・・式（５）
すなわち、リニアアクチュエータの出力変位が鏡の変位と一致することとなる。
【００３４】
しかしながら、かかる第一の比較例では、アクチュエータの発生する変位が、ほぼそのまま鏡の変位となり、アクチュエータが、操作ミスや駆動制御装置の暴走など、何らかの原因で、予定しない大きな変位を生じた場合には、鏡に過度な強制変位を生じさせることになり、鏡を破壊してしまう場合が生じうる。
【００３５】
また、第一の弾性体（剛性Ｋｂ）がなく、第二の弾性体（剛性Ｋａ）が存在する第２の比較例を考える。この態様では、式（２）において、Ｋｂ＝０とおけるので、式（２）は以下の式（６）のようになる。
Ｚｍ／Ｚｄ≒Ｋａ／［Ｋａ＋Ｋｍ］・・・式（６）
従って、式（５）の場合に比べて、鏡の変位Ｚｍは、Ｚｄそのものではなく、縮小されたものとなる。変位の縮小率は、上記（６）式で与えられる。とりわけＫａの値をＫｍよりも小さくすることにより、縮小の度合いは大きく（縮小率は小さく）なる。一数値例として、Ｋａ／Ｋｍ＝１／１００とすれば、
Ｚｍ／Ｚｄ≒（Ｋｍ／１００）／［（Ｋｍ／１００＋Ｋｍ）］＝１／１０１となり、
この場合には、縮小率は１／１０１と、第１の比較例よりもほぼ２桁小さくなる。
【００３６】
このように変位が縮小されることは、光の波長オーダーあるいはそれよりも細かいオーダーの分解能で鏡の変形を制御する必要がある可変形鏡にとっては、制御精度が向上するので、ひとまず好ましいことである。また、そのように細かい分解能での鏡変位の制御を、分解能の粗いリニアアクチュエータとの組み合わせであっても実現できるので、高分解能を容易に得ることが出来る。また、アクチュエータの発生する変位が、ほぼそのまま鏡の変位となるわけではないので、何らかの原因で、予定しない大きな変位を生じた場合にも、鏡に過度な強制変位を生じにくいので、鏡の破壊を回避できる可能性は高い。
【００３７】
しかしながら、上記のように第一の弾性体（剛性Ｋｂ）が存在しない状態では、鏡は、自身の剛性を除いては、Ｚ方向に第二の弾性体（剛性Ｋａ）で拘束されているだけであり、とくに、縮小率を小さくして高分解能を得ている場合には、ＫａはＫｍに比べて小さくしているので、鏡のＺ方向への揺れに対する剛性が乏しくなり、揺れの外乱に対して弱く（振動しやすく）なるという問題がある。よって、光の反射を利用して波面を制御する可変形鏡においては、鏡の振動は波面を乱す原因となるので、好ましくないのは当然である。
【００３８】
これらの第１及び第２の比較例に対して、本実施の形態では、前述したように第一の弾性体（剛性Ｋｂ）と第二の弾性体（剛性Ｋａ）とを備えているので、鏡は、第二の弾性体（剛性Ｋａ）に加えて第一の弾性体（剛性Ｋｂ）によっても並列的に拘束されることになるので、Ｚ方向揺れに対する鏡の剛性が高くできる。しかも、Ｋｂが加わった分だけ、縮小率も、より小さくできる。
【００３９】
以上から分かるように、本実施の形態の構成によれば、高分解能の鏡変位制御を容易に獲得できることと、Ｚ方向の鏡のゆれに対する剛性が高く振動が生じにくいということとを、同時に達成することができるという優れた利点が得られている。また、鏡が与えられたとき、変位縮小率を所望の値にすることと、鏡の揺れに対する剛性を所望の値にすることとは、本発明によれば、Ｋａの値とＫｂの値を独立に設計できることから、容易に両立できるようになる。
【００４０】
一数値例として、
Ｋａ／Ｋｍ＝１／１０
Ｋｂ／Ｋａ＝１０００／１
とすると、式（２）より、
Ｚｍ／Ｚｄ≒Ｋａ／［Ｋａ＋Ｋｂ＋Ｋｍ］＝１／１１１
となる。
【００４１】
従って、この縮小率（１／１１１）は、先の数値例の縮小率（１／１０１）とほとんど同等な値であるが、鏡の揺れに対する剛性は、先の数値例よりもおよそ１０倍高くできている。他の所望の縮小率の設定と鏡の揺れに対する剛性の設定についても、Ｋｍがあらかじめ与えられても、ＫａとＫｂの値を独立に調整することにより実現可能である。
【００４２】
さらに、式（１）、式（２）では、鏡の剛性Ｋｍをひとつの値で表したが、より詳細には、鏡の剛性Ｋｍは、鏡に生じる曲げ変形のなめらかさによって異なる値を示すものであり、一定の外形寸法の鏡においても、曲げの凹凸の数が少ない（空間周波数の低い）変形に関しては、剛性が低く、曲げの凹凸の数が多い（空間周波数の高い）変形に関しては、剛性が高いという性質を有する。前者を低次の変形モード、後者を高次の変形モードと呼ぶ。
【００４３】
従って、この詳細な鏡の剛性の性質を考慮すれば、式（１）、式（２）におけるＫｍはＫｍ（ｊ）と書き直すことができる。ここで、ｊは、空間周波数の大小を表すパラメータであり、具体的には、１枚の鏡においてＮ個の駆動機構ユニットを接続して凹凸を形成する場合は、ｊは１〜Ｎの整数値をとる。Ｋｍの値は、ｊ＝１のとき、最もゆるやかな曲げ変形の剛性を表すので、最も小さい値となり、ｊ＝Ｎのときは、Ｎ個の駆動機構ユニットで形成できるもっとも細かい凹凸の曲げ変形を表すので、最も大きい値となる。代表的な鏡の一数値例では、Ｎ＝４９のとき、Ｋｍ（Ｎ）は、Ｋｍ（１）の約１０００倍になるものがある。
【００４４】
よって、この性質と前記の変位縮小の特長とを組み合わせれば、同一量の移動子３Ａの移動量Ｚｄに対して、ｊの値が小さい、空間周波数の低い曲げ変形（低次の変形モード）に対しては、鏡の変位量が大きく得られ、ｊの値が大きい、空間周波数の高い曲げ変形（高次の変形モード）に対しては、鏡の変位量は小さく抑えられる。
【００４５】
ここで、鏡の曲げ変形において注意を払わなければならない問題として、曲げにともなう応力の発生の問題がある。曲げにともなう鏡の応力は、曲げの曲率に比例して大きくなるものであるから、同じ変位量に対しても、空間周波数の低い曲げに対しては応力の発生は小さく、空間周波数の高い曲げに対しては応力の発生は大きい。この応力が鏡によって定まる限界値を超えると、鏡は破損するので、可変形鏡においては、鏡の応力が限界値を超えないように、曲げ量を調整しなければならない。
【００４６】
本実施の形態の構成によれば、前記のように、空間周波数の高い曲げ変形に対しては、鏡の変位量が小さく抑えられる性質があるので、鏡の破損に至るような過大な変形量の発生を防止できる。一方、同一の構成でありながら、空間周波数の低い曲げ変形に関しては、変位量をおおきく得られるという性質も同時に維持している。可変形鏡が制御する対象として波面の歪みは、一般的に、空間周波数の小さい歪みは量的に大きく、空間周波数のおおきい歪みは量的に小さいので、上記の性質を有することは、可変形鏡に求められる特質に適合している。
【００４７】
以上の特質を有する可変形鏡における剛性に関する関係を総括すると、
Ｋｍ（Ｎ）＞Ｋｂ＞Ｋｍ（１）＞Ｋａ
もしくは、
Ｋｍ（Ｎ）≒Ｋｂ＞Ｋｍ（１）＞Ｋａ
となる剛性の組み合わせを備えることが適切である。
本発明は、このような剛性の組み合わせによって、最もやわらかい鏡の変形に関しても、変位縮小効果が得られ、かつ、空間周波数の高い変形に関して過度な変形を防止し応力が限界値を超えないように構成することができ、かつ、鏡の揺れに対する剛性を高くして振動を防止することができる。
【００４８】
以上に説明したように、本実施の形態の可変形鏡によれば、弾性体からなる鏡と第一の弾性体とを合成した弾性体の組み合わせ系の剛性と、第二の弾性体との剛性の違いによって、高分解能で鏡面変位を操作することが可能でありながら、鏡面を弾性的に変歪させる際の過大な応力によって鏡を破損することを防止できる。さらに、高分解能で鏡面変位を操作すべく、前述した第２の比較例のように普通に弾性体を設けただけでは、鏡が揺れの外乱に対して弱くなる問題を生じるところ、本実施の形態では、駆動機構ユニットにおいて二つの弾性体を用意し、一方の弾性体はアクチュエータと直列に設け、他方の弾性体は、それらアクチュエータ及び一方の弾性体と並列に設け、アクチュエータと直列に接続される第二の弾性体の剛性よりも、それらアクチュエータ及び第二の弾性体と並列に接続される第一の弾性体の剛性を高くしているので、鏡の揺れに対する剛性も高く鏡に振動が生じにくくすることができる。すなわち、本実施の形態では、高分解能で鏡面変位を操作できるとともに、鏡面を変歪させる際の過大な応力によって鏡を破損することを防止でき、尚且つ、揺れに対する剛性の低下を防止することが可能となっている。
【００４９】
さらに、駆動機構ユニットと鏡との接続点に力を加えた場合の、鏡の曲げ変形に対する剛性が最も高い空間変形パターンにおける鏡の剛性を、最高次モードの鏡剛性とし、鏡の曲げ変形に対する剛性が最も低い空間変形パターンにおける鏡の剛性を、最低次モードの鏡剛性としたとき、最高次モードの鏡剛性＞第一の弾性体の剛性＞最低次モードの鏡剛性＞第二の弾性体の剛性、又は、最高次モードの鏡剛性≒第一の弾性体の剛性＞最低次モードの鏡剛性＞第二の弾性体の剛性、とすることで、個々のアクチュエータの変位を一定量与えた場合において、低次モードの鏡の変形に関しては大きな変位が得られ、高次モードの鏡の変形に関しては、変形量が少なくなるので、可変形鏡で一般的に求められやすい低次の変形に関しては大きな変形制御ができると同時に、高い応力が発生しやすい高次の変形に関しては、変位量が制限されるので、過大な応力によって鏡を破損することを防止できる。
【００５０】
アクチュエータのそれぞれに、移動子の移動可能な範囲を所望の範囲に制限することができる調整可能なリミッターを設けることで、個々のアクチュエータが発生する変位量の上下限値を所望の値に調整できるので、制限したい空間周波数の変形の次数ｊとその量に応じて、適切な、移動子の移動範囲を規定することができ、鏡に与えうる変位量の調整が容易で、鏡の破損を防止しやすいという効果が得られる。
【００５１】
また、リニアアクチュエータが、電源を遮断した状態においても有限の保持トルクを有するモータと、モータの回転運動を並進運動に変換するボールネジと、モータとボールネジとの間に配設された減速器とを備えるように構成することで、電源が遮断された場合でも、遮断直前のモータ回転位置が維持され、移動子のＺ方向位置が維持され、遮断直前の鏡の変形形状が維持される。このことにより、入念な変形形状の調整を行ったあとの可変形鏡の形状が、停電あるいは別の理由により電源が遮断されることがあっても、調整後の形状のままで保持できるという優れた可変形鏡を提供できる。
【００５２】
さらに、本実施の形態では、鏡と駆動機構ユニットとの間に設けた接続部材が、一対の結合部と、一対のくびれ部と、太軸部とを有するように構成している。よって、接続部材は、鏡の法線方向（Ｚ方向）には剛性が高く、鏡の面内方向（Ｘ，Ｙ方向）および、鏡の曲げ方向（Ｘ軸まわり曲げ、Ｙ軸まわり曲げ）に関しては剛性が低いものとなる。このことにより、鏡の法線方向に対して駆動機構ユニットの変位制御軸方向が傾いたり、何らかの理由で鏡に対して駆動機構ユニットの相対位置がＸ方向、Ｙ方向にずれを生じたりしても、接続部材が自在にたわむことによって、傾きやずれを吸収し、鏡に所望外の変形を生じさせることを防止できる。
【００５３】
さらに、本実施の形態では、鏡の法線方向（Ｚ方向）には剛性が高く、鏡の面内方向（Ｘ，Ｙ方向）および、鏡の曲げ方向（Ｘ軸まわり曲げ、Ｙ軸まわり曲げ）に関しては剛性が低い結合部材を設けるとともに、鏡の外縁部３箇所に、鏡の法線に垂直で鏡の中心を通る平面内において板バネを張架した鏡面拘束機構を設けている。よって、鏡の面内方向には剛性が高く、鏡の法線方向には剛性が低い鏡面拘束態様が得られるので、前述の接続部材の作用と相俟って、鏡の面内方向の揺れに対する剛性をさらに高く維持し、有害な鏡の振動が生じにくいようにすることができる。
【００５４】
以上、好ましい実施の形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の改変態様を採り得ることは自明である。
【符号の説明】
【００５５】
１ 鏡、２ 駆動機構ユニット、３ リニアアクチュエータ、３Ａ 移動子（可動端）、３Ｂ ボールネジ軸、３Ｃ 減速器、３Ｄ モータ、４ ユニット移動端部材（ユニット移動端）、５ ユニット固定端部材（ユニット固定端）、６ 第一の弾性体、７ 第二の弾性体、９ 結合部材、９Ｃ、９Ｄ くびれ部、１０ 鏡面拘束機構、１０Ｂ 弾性支持体、１１ リミッター、１１Ａ ピン、１１Ｂ 窓、３１ リニアアクチュエータに相当する可変長要素、３２ 第二の弾性体に相当する要素、３３ 第一の弾性体に相当する要素、３４ 接合部材に相当する要素、３５ 鏡の剛性に相当する要素、３６ リニアアクチュエータの固定端、３７ 固定端、３８ 固定部、３９ 結節点、４０ 結節点、４１ 結節点。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変形鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
可変形鏡は、光学素子の歪などに基づく光波面の歪みを補正するもので、補償光学装置、アレイレーザ発振器、画像処理装置などに用いられている。このため、可変形鏡には、光の波長オーダーあるいはそれよりもこまかいオーダーの分解能で鏡の形状（凹凸）を変形可能にすることが要求されている。
【０００３】
可変形鏡の構造については、例えば、特開平５−３３３２７４号公報（特許文献１）に示されるものなどがある。かかる可変形鏡では、変形すべき鏡を、圧電素子等のアクチュエータの伸縮にて変形させる構造とし、アクチュエータと鏡との間は、金属またはセラミックで形成されたプッシャーにて接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−３３３２７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような可変形鏡にあっては、アクチュエータと鏡との間が、金属またはセラミックなどの硬い材料で形成されたプッシャーで接続されていたので、変形の駆動源たるアクチュエータの発生する変位が、そのまま鏡の変位となる。このため、光の波長オーダーあるいはそれよりも細かいオーダーの分解能で鏡の形状を変化させたい場合には、アクチュエータ自身が高い分解能を有する必要があり、現実的に使用可能なアクチュエータとしては圧電素子などに限定されていた。その一方で、圧電素子は、比較的剛性が高いものであるため、アクチュエータの発生する変位が、ほぼそのまま鏡の変位となり、アクチュエータが、操作ミスや駆動制御装置の暴走など、何らかの原因で、予定しない大きな変位を生じた場合には、鏡に過度な強制変位を生じさせることになり、鏡を破壊してしまう場合があった。
【０００６】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、高分解能で鏡面変位を操作することが可能でありながら、鏡面を変歪させる際の過大な応力によって鏡を破損することを防止できる可変形鏡を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した目的を達成するため、本発明の可変形鏡は、変形可能な弾性体の鏡と、前記鏡の裏面に接続され、該鏡の変形を行う複数の駆動機構ユニットとを備え、前記駆動機構ユニットのそれぞれは、ユニット移動端と、ユニット固定端と、アクチュエータと、第一の弾性体及び第二の弾性体とを含み、前記第一の弾性体は、その一端が前記ユニット移動端に接続され、他端が前記ユニット固定端に接続されており、前記第二の弾性体は、その一端が前記アクチュエータの可動端に接続されており、他端が前記ユニット移動端に接続されており、前記第一の弾性体の剛性は、前記第二の弾性体の剛性よりも高く、前記第一の弾性体と、前記第二の弾性体と、前記弾性体の鏡との三者の剛性の組み合わせによって定まる前記ユニット移動端の移動によって前記鏡が弾性変形される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の可変形鏡によれば、高分解能で鏡面変位を操作することが可能でありながら、鏡面を変歪させる際の過大な応力によって鏡が破損することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施の形態に係る可変形鏡を模式的に示す断面図である。
【図２】本実施の形態の可変形鏡において剛性にかかわる特性を概念的に示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明に係る可変形鏡の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。
【００１１】
図１は、本発明の一実施の形態に係る可変形鏡を模式的に示す断面図である。略平面形状の弾性体で構成された鏡１の裏面側には、複数の駆動機構ユニット２が配設されている。駆動機構ユニット２は、座標系２０におけるＸ軸方向、Ｙ軸方向の各方向について３列以上の配列で、総数が４個以上設けられており、２次元的なアレイ状に配置されている。なお、座標系２０は、鏡１の略中央付近を中心に、鏡面の法線方向をＺ軸（紙面上下方向）とし、鏡の面内方向をＸ軸（紙面表裏方向）およびＹ軸（紙面左右方向）とする、直交座標系としている。
【００１２】
駆動機構ユニット２はそれぞれ、１箇所で鏡１の裏側に結合されており、その結合点で鏡１を押し引きすることにより鏡１の面形状（凹凸）を変化させることができる。駆動機構ユニット２は、リニアアクチュエータ３、ユニット移動端部材４、ユニット固定端部材５、第一の弾性体６及び第二の弾性体７を備えている。
【００１３】
リニアアクチュエータ３は、移動子３Ａ、ボールネジ軸３Ｂ、減速器３Ｃ及びモータ３Ｄを有している。移動子３Ａは、具体的には、ボールネジの移動ナットである。モータ３Ｄは、所望の軸回転量を与えうるものであればよく、図示しない電源を遮断した状態においても有限の保持トルクを維持できるものであり、たとえばステッピングモータもしくはサーボモータを用いることができる。
【００１４】
モータ３Ｄは、図示しないモータ駆動装置にて駆動制御される。モータ３Ｄの軸回転量は、減速器３Ｃによって適当な値に変換されて、ボールネジ軸３Ｂに伝達される。ボールネジ軸３Ｂの回転量は、移動子３Ａの、軸線方向（Ｚ軸方向）の並進移動量に変換される。
【００１５】
移動子３Ａは、鏡の面外方向に弾性変形可能な第二の弾性体７（本実施の形態ではコイルバネ）の一端に接続されており、第二の弾性体７を伸縮させる。第二の弾性体７の他端は、ユニット移動端部材４に接合されている。ユニット移動端部材４は、第二の弾性体７に接続されていると同時に、鏡の面外方向に弾性変形可能な第一の弾性体６の一端にも接合されている。第一の弾性体６の他端は、ユニット固定端部材５に接続されている。
【００１６】
第一の弾性体６は、円筒構造の一部に周方向のきりこみを断続的に入れたもの、あるいは略円筒形のジャバラで構成されたものでもよい。第一の弾性体６、第二の弾性体７は、いずれも、Ｚ軸方向に弾性的に伸縮可能である。
【００１７】
本実施の形態では、第一の弾性体６及び第二の弾性体７はともに略円筒状の部材であり、第一の弾性体６の中に第二の弾性体７が配設され、第二の弾性体７の中にボールネジ軸３Ｂが配設されている。そして、これら第一の弾性体６、第二の弾性体７及びボールネジ軸３Ｂは同軸的に設けられている。よって、各駆動機構ユニットをコンパクト（特にＸ−Ｙ方向にコンパクト）に構成することができる。
【００１８】
第一の弾性体６のＺ軸方向（鏡の面外方向）の剛性（外力／変形量）は、弾性体７のＺ軸方向の剛性に比べて、高いものとなっている。第一の弾性体６と第二の弾性体７とのＺ方向の剛性の比率は、［弾性体６の剛性／弾性体７の剛性］の値が、おおむね５以上、望むらくは１０〜１０００程度の値であることが望ましい。
【００１９】
駆動機構ユニット２はすべて、それぞれのユニット固定端部材５の位置において、同一（共通）のベース８に固定されている。ベース８は、図示しない全体保持構造によって、本可変形鏡の全体を保持する別の構造体に結合されている。全体保持構造は、本可変形鏡の剛体的アライメントを調整可能なティルト調整機能をもたせてあってもよい。
【００２０】
駆動機構ユニット２と鏡１との間は、結合部材９によって離散的に結合されている。結合部材９は、一対の結合部９Ａ，９Ｂと、少なくとも一つ（本実施の形態では一対）のくびれ部９Ｃ，９Ｄと、太軸部９Ｅとを有している。結合部９Ａは、鏡１の裏面にて鏡１に接合されており、接合部９Ｂは、ユニット移動端部材４に接合されている。くびれ部９Ｃ、９Ｄは、太軸部９Ｅの両端（接合部９Ａ側および接合部９Ｂ側）近傍において、それぞれ、軸径を減少させたものであり、弾性的に屈曲可能で、太軸部９Ｅに比べて細く短いロッド形状をなしている。かかる構成によって、結合部材９は、鏡１の法線方向の剛性（外力／変形量）は高く、鏡１の面内方向およびＸ軸まわり、Ｙ軸まわりの回転の変位には剛性が低くなるように構成されている。
【００２１】
鏡１の端部（周縁部）は、鏡面拘束機構１０によってベース８に対して固定されている。鏡面拘束機構１０は、エッジ接合部１０Ａ、弾性支持体１０Ｂ及び支柱１０Ｃを備えている。エッジ接合部１０Ａは、鏡１の周縁部の特定箇所（たとえば鏡全体で３箇所）に離散的に接合されており、弾性支持体１０Ｂは、それらエッジ接合部１０Ａを支柱１０Ｃにつないでいる。弾性支持体１０Ｂは、鏡１がおかれるＸ−Ｙ面に平行に延びており、特に本実施の形態では、Ｘ−Ｙ面に平行な面内において鏡１の板厚の中心（または鏡の重心）を通るように延びており、エッジ接合部１０Ａに連結されて、Ｚ方向に容易に（鏡１よりも柔らかく）撓むことができるように構成された薄板ばねにより構成されている。かかる構成によって、鏡面拘束機構１０は、鏡の面内方向には剛性が高く、鏡の法線方向には剛性が低くなるように構成されている。なお、弾性支持体１０Ｂは、薄板ばねにより構成されていることには限定されず、例えば、Ｘ−Ｙ面に平行な面内において鏡１の板厚の中心を通るように延びたワイヤーにより構成されていてもよい。
【００２２】
また、リニアアクチュエータ３に対しては、リミッター１１が設けられている。リミッター１１は、移動子３Ａに固定されたピン１１Ａと、ユニット固定端部材５の一部に設けられた窓１１Ｂとの組み合わせによって構成されている。ピン１１Ａは、移動子３Ａに固定された状態で窓１１Ｂの内部に入り込むような長さに設定されており、ピン１１Ａの太さ又は移動子３Ａへの取り付け位置は、変更可能である。これにより、移動子３Ａの移動は、ピン１１Ａが窓１１Ｂ内で移動できる範囲内に制限される。なお、上記リミッターはあくまでも一例であり、個々のリニアアクチュエータの可動端の移動可能な範囲を所望の範囲に制限することができる調整可能なリミッターであれば上記以外の構成でもよく、例えば、リミットスイッチ等を用いることもできる。
【００２３】
このような構成によれば、
鏡のＺ方向外力に対する変形のＺ方向剛性（外力／変形量）を Ｋｍ、
第一の弾性体６のＺ方向剛性を Ｋｂ、
第二の弾性体７のＺ方向剛性を Ｋａ、
結合部材のＺ方向剛性を Ｋｃとすると、
ベースを固定端とし、移動子３ＡをＺ方向にＺｄだけ移動させたときの、鏡のＺ方向変位量ＺｍとＺｄとの比率は、式（１）にて表される。なお、式（１）の導出の根拠は、後述する。
Ｚｍ／Ｚｄ＝Ｋａ／［Ｋａ＋Ｋｂ＋Ｋｍ＋（Ｋｍ／Ｋｃ）（Ｋａ＋Ｋｂ）］・・・式（１）
【００２４】
前述の式（１）は、ＫｃがＫａ，Ｋｂ，Ｋｍに比べて十分に大きい場合には、式（２）のように近似的に表すことができる。
Ｚｍ／Ｚｄ≒Ｋａ／［Ｋａ＋Ｋｂ＋Ｋｍ］・・・式（２）
【００２５】
ここで（１）式の導出の根拠を詳細に説明する。図２は、本実施の形態の可変形鏡において剛性にかかわる特性を概念的に示した模式図である。図２において、リニアアクチュエータ３に相当する可変長要素を参照符号３１とし、第二の弾性体７に相当する要素を符号３２とし、第一の弾性体６に相当する要素を符号３３とし、接合部材９に相当する要素を符号３４とし、鏡１の剛性に相当する要素を符号３５とする。
【００２６】
リニアアクチュエータの固定端は、符号３６で示され、その変位が固定されている。第一の弾性体６に相当する要素３３の一端は、固定端３７で固定されている。第一の弾性体６に相当する要素３３の他端は、第二の弾性体７に相当する要素３２と、接合部材９に相当する要素３４とに結合されており、それらの結節点が符号４０で示される。結節点４０は、ユニット移動端部材４に相当する要素である。
【００２７】
鏡１の剛性に相当する要素３５と、接合部材９に相当する要素３４とは、結節点４１において結合されている。鏡１の剛性に相当する要素３５のもう一つの端部は、固定部３８にて固定されている。但し、固定部３８は、鏡の別の支持点もしくは別途設けられた固定機構等による拘束の効果を示すものであり、鏡の剛性Ｋｍは、その固定部３８と結節点４１との間にある剛性をまとめたものである。
【００２８】
ユニット移動端部材４のＺ方向変位は、結節点４０の変位に相当し、Ｚｂで表されている。鏡の変位は、結節点４１の変位Ｚｍで表される。リニアアクチュエータ３の移動子のＺ方向変位は、可変長要素３１と第二の弾性体７に相当する要素３２との結節点３９の変位Ｚｄで表される。
【００２９】
図２に示した要素の静的な力の釣り合いを考えると、まず、結節点４０での静的な力の釣り合いより、式（３）を得る。
−Ｋｂ＊Ｚｂ−Ｋａ（Ｚｂ−Ｚｄ）＋Ｋｃ（Ｚｍ−Ｚｂ）＝０・・・式（３）
【００３０】
同様に、結節点４１での静的な力の釣り合いより、式（４）を得る。
Ｋｍ＊Ｚｍ＋Ｋｃ（Ｚｍ−Ｚｂ）＝０・・・式（４）
【００３１】
式（３）、式（４）より、Ｚｂを消去して整理すると、前述した式（１）が得られる。
【００３２】
次に、比較例を参照しながら、本実施の形態の特徴を説明する。なお、接合部材９に相当する部分のＺ方向の剛性Ｋｃは、一般に、その他の部材のＺ方向のたわみに与える影響を無視できるように、十分に高くするものであるから、以下は、近似式である式（２）にもとづいて説明する。
【００３３】
まず、本実施の形態のような第一の弾性体（剛性Ｋｂ）および第二の弾性体（剛性Ｋａ）がともに無く、駆動機構ユニットのリニアアクチュエータが鏡に直結している第１の比較例を想定すると、式（２）において、Ｋｂ＝０、Ｋｍ／Ｋａ→０とおけるので、かかる第１の比較例では、式（２）に代えて、式（５）が成り立つ。
Ｚｍ／Ｚｄ≒１・・・式（５）
すなわち、リニアアクチュエータの出力変位が鏡の変位と一致することとなる。
【００３４】
しかしながら、かかる第一の比較例では、アクチュエータの発生する変位が、ほぼそのまま鏡の変位となり、アクチュエータが、操作ミスや駆動制御装置の暴走など、何らかの原因で、予定しない大きな変位を生じた場合には、鏡に過度な強制変位を生じさせることになり、鏡を破壊してしまう場合が生じうる。
【００３５】
また、第一の弾性体（剛性Ｋｂ）がなく、第二の弾性体（剛性Ｋａ）が存在する第２の比較例を考える。この態様では、式（２）において、Ｋｂ＝０とおけるので、式（２）は以下の式（６）のようになる。
Ｚｍ／Ｚｄ≒Ｋａ／［Ｋａ＋Ｋｍ］・・・式（６）
従って、式（５）の場合に比べて、鏡の変位Ｚｍは、Ｚｄそのものではなく、縮小されたものとなる。変位の縮小率は、上記（６）式で与えられる。とりわけＫａの値をＫｍよりも小さくすることにより、縮小の度合いは大きく（縮小率は小さく）なる。一数値例として、Ｋａ／Ｋｍ＝１／１００とすれば、
Ｚｍ／Ｚｄ≒（Ｋｍ／１００）／［（Ｋｍ／１００＋Ｋｍ）］＝１／１０１となり、
この場合には、縮小率は１／１０１と、第１の比較例よりもほぼ２桁小さくなる。
【００３６】
このように変位が縮小されることは、光の波長オーダーあるいはそれよりも細かいオーダーの分解能で鏡の変形を制御する必要がある可変形鏡にとっては、制御精度が向上するので、ひとまず好ましいことである。また、そのように細かい分解能での鏡変位の制御を、分解能の粗いリニアアクチュエータとの組み合わせであっても実現できるので、高分解能を容易に得ることが出来る。また、アクチュエータの発生する変位が、ほぼそのまま鏡の変位となるわけではないので、何らかの原因で、予定しない大きな変位を生じた場合にも、鏡に過度な強制変位を生じにくいので、鏡の破壊を回避できる可能性は高い。
【００３７】
しかしながら、上記のように第一の弾性体（剛性Ｋｂ）が存在しない状態では、鏡は、自身の剛性を除いては、Ｚ方向に第二の弾性体（剛性Ｋａ）で拘束されているだけであり、とくに、縮小率を小さくして高分解能を得ている場合には、ＫａはＫｍに比べて小さくしているので、鏡のＺ方向への揺れに対する剛性が乏しくなり、揺れの外乱に対して弱く（振動しやすく）なるという問題がある。よって、光の反射を利用して波面を制御する可変形鏡においては、鏡の振動は波面を乱す原因となるので、好ましくないのは当然である。
【００３８】
これらの第１及び第２の比較例に対して、本実施の形態では、前述したように第一の弾性体（剛性Ｋｂ）と第二の弾性体（剛性Ｋａ）とを備えているので、鏡は、第二の弾性体（剛性Ｋａ）に加えて第一の弾性体（剛性Ｋｂ）によっても並列的に拘束されることになるので、Ｚ方向揺れに対する鏡の剛性が高くできる。しかも、Ｋｂが加わった分だけ、縮小率も、より小さくできる。
【００３９】
以上から分かるように、本実施の形態の構成によれば、高分解能の鏡変位制御を容易に獲得できることと、Ｚ方向の鏡のゆれに対する剛性が高く振動が生じにくいということとを、同時に達成することができるという優れた利点が得られている。また、鏡が与えられたとき、変位縮小率を所望の値にすることと、鏡の揺れに対する剛性を所望の値にすることとは、本発明によれば、Ｋａの値とＫｂの値を独立に設計できることから、容易に両立できるようになる。
【００４０】
一数値例として、
Ｋａ／Ｋｍ＝１／１０
Ｋｂ／Ｋａ＝１０００／１
とすると、式（２）より、
Ｚｍ／Ｚｄ≒Ｋａ／［Ｋａ＋Ｋｂ＋Ｋｍ］＝１／１１１
となる。
【００４１】
従って、この縮小率（１／１１１）は、先の数値例の縮小率（１／１０１）とほとんど同等な値であるが、鏡の揺れに対する剛性は、先の数値例よりもおよそ１０倍高くできている。他の所望の縮小率の設定と鏡の揺れに対する剛性の設定についても、Ｋｍがあらかじめ与えられても、ＫａとＫｂの値を独立に調整することにより実現可能である。
【００４２】
さらに、式（１）、式（２）では、鏡の剛性Ｋｍをひとつの値で表したが、より詳細には、鏡の剛性Ｋｍは、鏡に生じる曲げ変形のなめらかさによって異なる値を示すものであり、一定の外形寸法の鏡においても、曲げの凹凸の数が少ない（空間周波数の低い）変形に関しては、剛性が低く、曲げの凹凸の数が多い（空間周波数の高い）変形に関しては、剛性が高いという性質を有する。前者を低次の変形モード、後者を高次の変形モードと呼ぶ。
【００４３】
従って、この詳細な鏡の剛性の性質を考慮すれば、式（１）、式（２）におけるＫｍはＫｍ（ｊ）と書き直すことができる。ここで、ｊは、空間周波数の大小を表すパラメータであり、具体的には、１枚の鏡においてＮ個の駆動機構ユニットを接続して凹凸を形成する場合は、ｊは１〜Ｎの整数値をとる。Ｋｍの値は、ｊ＝１のとき、最もゆるやかな曲げ変形の剛性を表すので、最も小さい値となり、ｊ＝Ｎのときは、Ｎ個の駆動機構ユニットで形成できるもっとも細かい凹凸の曲げ変形を表すので、最も大きい値となる。代表的な鏡の一数値例では、Ｎ＝４９のとき、Ｋｍ（Ｎ）は、Ｋｍ（１）の約１０００倍になるものがある。
【００４４】
よって、この性質と前記の変位縮小の特長とを組み合わせれば、同一量の移動子３Ａの移動量Ｚｄに対して、ｊの値が小さい、空間周波数の低い曲げ変形（低次の変形モード）に対しては、鏡の変位量が大きく得られ、ｊの値が大きい、空間周波数の高い曲げ変形（高次の変形モード）に対しては、鏡の変位量は小さく抑えられる。
【００４５】
ここで、鏡の曲げ変形において注意を払わなければならない問題として、曲げにともなう応力の発生の問題がある。曲げにともなう鏡の応力は、曲げの曲率に比例して大きくなるものであるから、同じ変位量に対しても、空間周波数の低い曲げに対しては応力の発生は小さく、空間周波数の高い曲げに対しては応力の発生は大きい。この応力が鏡によって定まる限界値を超えると、鏡は破損するので、可変形鏡においては、鏡の応力が限界値を超えないように、曲げ量を調整しなければならない。
【００４６】
本実施の形態の構成によれば、前記のように、空間周波数の高い曲げ変形に対しては、鏡の変位量が小さく抑えられる性質があるので、鏡の破損に至るような過大な変形量の発生を防止できる。一方、同一の構成でありながら、空間周波数の低い曲げ変形に関しては、変位量をおおきく得られるという性質も同時に維持している。可変形鏡が制御する対象として波面の歪みは、一般的に、空間周波数の小さい歪みは量的に大きく、空間周波数のおおきい歪みは量的に小さいので、上記の性質を有することは、可変形鏡に求められる特質に適合している。
【００４７】
以上の特質を有する可変形鏡における剛性に関する関係を総括すると、
Ｋｍ（Ｎ）＞Ｋｂ＞Ｋｍ（１）＞Ｋａ
もしくは、
Ｋｍ（Ｎ）≒Ｋｂ＞Ｋｍ（１）＞Ｋａ
となる剛性の組み合わせを備えることが適切である。
本発明は、このような剛性の組み合わせによって、最もやわらかい鏡の変形に関しても、変位縮小効果が得られ、かつ、空間周波数の高い変形に関して過度な変形を防止し応力が限界値を超えないように構成することができ、かつ、鏡の揺れに対する剛性を高くして振動を防止することができる。
【００４８】
以上に説明したように、本実施の形態の可変形鏡によれば、弾性体からなる鏡と第一の弾性体とを合成した弾性体の組み合わせ系の剛性と、第二の弾性体との剛性の違いによって、高分解能で鏡面変位を操作することが可能でありながら、鏡面を弾性的に変歪させる際の過大な応力によって鏡を破損することを防止できる。さらに、高分解能で鏡面変位を操作すべく、前述した第２の比較例のように普通に弾性体を設けただけでは、鏡が揺れの外乱に対して弱くなる問題を生じるところ、本実施の形態では、駆動機構ユニットにおいて二つの弾性体を用意し、一方の弾性体はアクチュエータと直列に設け、他方の弾性体は、それらアクチュエータ及び一方の弾性体と並列に設け、アクチュエータと直列に接続される第二の弾性体の剛性よりも、それらアクチュエータ及び第二の弾性体と並列に接続される第一の弾性体の剛性を高くしているので、鏡の揺れに対する剛性も高く鏡に振動が生じにくくすることができる。すなわち、本実施の形態では、高分解能で鏡面変位を操作できるとともに、鏡面を変歪させる際の過大な応力によって鏡を破損することを防止でき、尚且つ、揺れに対する剛性の低下を防止することが可能となっている。
【００４９】
さらに、駆動機構ユニットと鏡との接続点に力を加えた場合の、鏡の曲げ変形に対する剛性が最も高い空間変形パターンにおける鏡の剛性を、最高次モードの鏡剛性とし、鏡の曲げ変形に対する剛性が最も低い空間変形パターンにおける鏡の剛性を、最低次モードの鏡剛性としたとき、最高次モードの鏡剛性＞第一の弾性体の剛性＞最低次モードの鏡剛性＞第二の弾性体の剛性、又は、最高次モードの鏡剛性≒第一の弾性体の剛性＞最低次モードの鏡剛性＞第二の弾性体の剛性、とすることで、個々のアクチュエータの変位を一定量与えた場合において、低次モードの鏡の変形に関しては大きな変位が得られ、高次モードの鏡の変形に関しては、変形量が少なくなるので、可変形鏡で一般的に求められやすい低次の変形に関しては大きな変形制御ができると同時に、高い応力が発生しやすい高次の変形に関しては、変位量が制限されるので、過大な応力によって鏡を破損することを防止できる。
【００５０】
アクチュエータのそれぞれに、移動子の移動可能な範囲を所望の範囲に制限することができる調整可能なリミッターを設けることで、個々のアクチュエータが発生する変位量の上下限値を所望の値に調整できるので、制限したい空間周波数の変形の次数ｊとその量に応じて、適切な、移動子の移動範囲を規定することができ、鏡に与えうる変位量の調整が容易で、鏡の破損を防止しやすいという効果が得られる。
【００５１】
また、リニアアクチュエータが、電源を遮断した状態においても有限の保持トルクを有するモータと、モータの回転運動を並進運動に変換するボールネジと、モータとボールネジとの間に配設された減速器とを備えるように構成することで、電源が遮断された場合でも、遮断直前のモータ回転位置が維持され、移動子のＺ方向位置が維持され、遮断直前の鏡の変形形状が維持される。このことにより、入念な変形形状の調整を行ったあとの可変形鏡の形状が、停電あるいは別の理由により電源が遮断されることがあっても、調整後の形状のままで保持できるという優れた可変形鏡を提供できる。
【００５２】
さらに、本実施の形態では、鏡と駆動機構ユニットとの間に設けた接続部材が、一対の結合部と、一対のくびれ部と、太軸部とを有するように構成している。よって、接続部材は、鏡の法線方向（Ｚ方向）には剛性が高く、鏡の面内方向（Ｘ，Ｙ方向）および、鏡の曲げ方向（Ｘ軸まわり曲げ、Ｙ軸まわり曲げ）に関しては剛性が低いものとなる。このことにより、鏡の法線方向に対して駆動機構ユニットの変位制御軸方向が傾いたり、何らかの理由で鏡に対して駆動機構ユニットの相対位置がＸ方向、Ｙ方向にずれを生じたりしても、接続部材が自在にたわむことによって、傾きやずれを吸収し、鏡に所望外の変形を生じさせることを防止できる。
【００５３】
さらに、本実施の形態では、鏡の法線方向（Ｚ方向）には剛性が高く、鏡の面内方向（Ｘ，Ｙ方向）および、鏡の曲げ方向（Ｘ軸まわり曲げ、Ｙ軸まわり曲げ）に関しては剛性が低い結合部材を設けるとともに、鏡の外縁部３箇所に、鏡の法線に垂直で鏡の中心を通る平面内において板バネを張架した鏡面拘束機構を設けている。よって、鏡の面内方向には剛性が高く、鏡の法線方向には剛性が低い鏡面拘束態様が得られるので、前述の接続部材の作用と相俟って、鏡の面内方向の揺れに対する剛性をさらに高く維持し、有害な鏡の振動が生じにくいようにすることができる。
【００５４】
以上、好ましい実施の形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の改変態様を採り得ることは自明である。
【符号の説明】
【００５５】
１ 鏡、２ 駆動機構ユニット、３ リニアアクチュエータ、３Ａ 移動子（可動端）、３Ｂ ボールネジ軸、３Ｃ 減速器、３Ｄ モータ、４ ユニット移動端部材（ユニット移動端）、５ ユニット固定端部材（ユニット固定端）、６ 第一の弾性体、７ 第二の弾性体、９ 結合部材、９Ｃ、９Ｄ くびれ部、１０ 鏡面拘束機構、１０Ｂ 弾性支持体、１１ リミッター、１１Ａ ピン、１１Ｂ 窓、３１ リニアアクチュエータに相当する可変長要素、３２ 第二の弾性体に相当する要素、３３ 第一の弾性体に相当する要素、３４ 接合部材に相当する要素、３５ 鏡の剛性に相当する要素、３６ リニアアクチュエータの固定端、３７ 固定端、３８ 固定部、３９ 結節点、４０ 結節点、４１ 結節点。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変形可能な弾性体の鏡と、
前記鏡の裏面に接続され、該鏡の変形を行う複数の駆動機構ユニットとを備え、
前記駆動機構ユニットのそれぞれは、ユニット移動端と、ユニット固定端と、アクチュエータと、第一の弾性体及び第二の弾性体とを含み、
前記第一の弾性体は、その一端が前記ユニット移動端に接続され、他端が前記ユニット固定端に接続されており、
前記第二の弾性体は、その一端が前記アクチュエータの可動端に接続されており、他端が前記ユニット移動端に接続されており、
前記第一の弾性体の剛性は、前記第二の弾性体の剛性よりも高く、
前記第一の弾性体と、前記第二の弾性体と、前記弾性体の鏡との三者の剛性の組み合わせによって定まる前記ユニット移動端の移動によって前記鏡が弾性変形される
可変形鏡。
【請求項２】
前記駆動機構ユニットと前記鏡との接続点に力を加えた場合の、該鏡の曲げ変形に対する剛性が最も高い空間変形パターンにおける該鏡の剛性を、最高次モードの鏡剛性とし、該鏡の曲げ変形に対する剛性が最も低い空間変形パターンにおける該鏡の剛性を、最低次モードの鏡剛性としたとき、
最高次モードの鏡剛性＞第一の弾性体の剛性＞最低次モードの鏡剛性＞第二の弾性体の剛性、
又は、
最高次モードの鏡剛性≒第一の弾性体の剛性＞最低次モードの鏡剛性＞第二の弾性体の剛性、
という関係を有するように構成された
請求項１の可変形鏡。
【請求項３】
前記アクチュエータのそれぞれには、可動端の移動可能な範囲を所望の範囲に制限することができる調整可能なリミッターが設けられている請求項１又は２の可変形鏡。
【請求項４】
前記アクチュエータは、電源を遮断した状態においても保持トルクを有するモータと、減速器と、ボールネジ軸及びそれに螺合する移動子とを備え、
前記減速器は、前記モータの軸回転量を減速して前記ボールネジ軸に伝え、
前記ボールネジ軸の回転量は、前記移動子の並進移動量に変換され、
前記移動子は、前記可動端を構成している
請求項１乃至３の何れか一項の可変形鏡。
【請求項５】
前記駆動機構ユニットはそれぞれ、結合部材を介して、前記鏡の裏面に接続されており、
前記結合部は、少なくとも一つのくびれ部を有しており、
前記鏡は、その周縁部において、鏡面拘束機構によって支持されており、
前記鏡面拘束機構は、前記鏡がおかれる面と平行におかれた弾性支持体を有している
請求項１乃至４の何れか一項の可変形鏡。
【請求項６】
前記弾性支持体は、板バネもしくはワイヤーによって構成されている請求項５の可変形鏡。
【請求項７】
前記第一の弾性体及び前記第二の弾性体はともに円筒状の部材であり、
前記第一の弾性体の中に前記第二の弾性体が配設され、該第二の弾性体の中に前記ボールネジ軸が配設されており、
前記第一の弾性体、前記第二の弾性体及び前記ボールネジ軸は同軸的に設けられている
請求項４乃至６の何れか一項の可変形鏡。
【請求項１】
変形可能な弾性体の鏡と、
前記鏡の裏面に接続され、該鏡の変形を行う複数の駆動機構ユニットとを備え、
前記駆動機構ユニットのそれぞれは、ユニット移動端と、ユニット固定端と、アクチュエータと、第一の弾性体及び第二の弾性体とを含み、
前記第一の弾性体は、その一端が前記ユニット移動端に接続され、他端が前記ユニット固定端に接続されており、
前記第二の弾性体は、その一端が前記アクチュエータの可動端に接続されており、他端が前記ユニット移動端に接続されており、
前記第一の弾性体の剛性は、前記第二の弾性体の剛性よりも高く、
前記第一の弾性体と、前記第二の弾性体と、前記弾性体の鏡との三者の剛性の組み合わせによって定まる前記ユニット移動端の移動によって前記鏡が弾性変形される
可変形鏡。
【請求項２】
前記駆動機構ユニットと前記鏡との接続点に力を加えた場合の、該鏡の曲げ変形に対する剛性が最も高い空間変形パターンにおける該鏡の剛性を、最高次モードの鏡剛性とし、該鏡の曲げ変形に対する剛性が最も低い空間変形パターンにおける該鏡の剛性を、最低次モードの鏡剛性としたとき、
最高次モードの鏡剛性＞第一の弾性体の剛性＞最低次モードの鏡剛性＞第二の弾性体の剛性、
又は、
最高次モードの鏡剛性≒第一の弾性体の剛性＞最低次モードの鏡剛性＞第二の弾性体の剛性、
という関係を有するように構成された
請求項１の可変形鏡。
【請求項３】
前記アクチュエータのそれぞれには、可動端の移動可能な範囲を所望の範囲に制限することができる調整可能なリミッターが設けられている請求項１又は２の可変形鏡。
【請求項４】
前記アクチュエータは、電源を遮断した状態においても保持トルクを有するモータと、減速器と、ボールネジ軸及びそれに螺合する移動子とを備え、
前記減速器は、前記モータの軸回転量を減速して前記ボールネジ軸に伝え、
前記ボールネジ軸の回転量は、前記移動子の並進移動量に変換され、
前記移動子は、前記可動端を構成している
請求項１乃至３の何れか一項の可変形鏡。
【請求項５】
前記駆動機構ユニットはそれぞれ、結合部材を介して、前記鏡の裏面に接続されており、
前記結合部は、少なくとも一つのくびれ部を有しており、
前記鏡は、その周縁部において、鏡面拘束機構によって支持されており、
前記鏡面拘束機構は、前記鏡がおかれる面と平行におかれた弾性支持体を有している
請求項１乃至４の何れか一項の可変形鏡。
【請求項６】
前記弾性支持体は、板バネもしくはワイヤーによって構成されている請求項５の可変形鏡。
【請求項７】
前記第一の弾性体及び前記第二の弾性体はともに円筒状の部材であり、
前記第一の弾性体の中に前記第二の弾性体が配設され、該第二の弾性体の中に前記ボールネジ軸が配設されており、
前記第一の弾性体、前記第二の弾性体及び前記ボールネジ軸は同軸的に設けられている
請求項４乃至６の何れか一項の可変形鏡。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−１８２９０（Ｐ２０１２−１８２９０Ａ）
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１５５４７２（Ｐ２０１０−１５５４７２）
【出願日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]