JP2006023367A - Shape variable mirror - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、入射する光の波面を補正するように駆動される形状可変ミラーに関する。 The present invention relates to a deformable mirror that is driven so as to correct a wavefront of incident light.
レーザーは、レーザー通信、レーザー測距装置、レーザー加工装置およびレーザー光源などに広く使用されている。レーザービームの品質や集光性能を改善するために、レーザー光の波面を測定し、この結果を基に形状可変ミラーによって波面を補正することが行われている。 Lasers are widely used in laser communications, laser ranging devices, laser processing devices, laser light sources, and the like. In order to improve the quality and condensing performance of the laser beam, the wavefront of the laser beam is measured and the wavefront is corrected by a deformable mirror based on the result.
また、大型天体望遠鏡の観測像やリモートセンシングの受信画像の分解能を高めるために、受信した光の波面を測定し、この結果を基に形状可変ミラーによって波面を補正することが行われている。 In addition, in order to increase the resolution of the observation image of the large astronomical telescope and the received image of the remote sensing, the wavefront of the received light is measured, and the wavefront is corrected by the deformable mirror based on the result.
図1は、形状可変ミラーを使用して光の波面を補正するための光学系の一例を示す。レーザー発振器5から形状可変ミラー1に入射した光は反射され、ハーフミラー2に入射する。ハーフミラー2に入射した光の一部は、反射されて光波面検出器3に至る。光波面検出器3は、光波面のひずみ量を検出し、結果を形状可変ミラーの制御装置4に送る。形状可変ミラーの制御装置4は、検出された光波面のひずみ量を最小とするように、形状可変ミラー1の駆動装置を操作して、入射された光の光路差を補正する。
FIG. 1 shows an example of an optical system for correcting the wavefront of light using a deformable mirror. Light incident on the
つぎに、形状可変ミラーの駆動装置について説明する。図2は、形状可変ミラーの駆動装置とミラーを示す図である。駆動装置は、ミラーの裏面に複数個設け、個別に操作できるようにする。駆動装置の長さが変化することにより、当該駆動装置の部分のミラーの形状が変化する。駆動装置は、圧電素子、リニアモータ、電磁コイルなどから形成される。あるいは、油圧駆動の装置を用いてもよい。 Next, a drive device for the deformable mirror will be described. FIG. 2 is a diagram showing a variable shape mirror driving device and a mirror. A plurality of driving devices are provided on the rear surface of the mirror so that they can be individually operated. As the length of the driving device changes, the shape of the mirror of the portion of the driving device changes. The drive device is formed from a piezoelectric element, a linear motor, an electromagnetic coil, or the like. Alternatively, a hydraulic drive device may be used.
形状可変ミラーの構造については、たとえば、特許文献1(図1他)、特許文献2(図1他)、特許文献3(図1他)および特許文献4(図2他)などに開示されている。 The structure of the deformable mirror is disclosed in, for example, Patent Document 1 (FIG. 1 and others), Patent Document 2 (FIG. 1 and others), Patent Document 3 (FIG. 1 and others), Patent Document 4 (FIG. 2 and others), and the like. Yes.
従来の形状可変ミラーにおいて、駆動装置を操作してミラーを変形させた場合に、ミラーと駆動装置との接合部に大きな応力が生じ、繰り返し使用した場合に、ミラーあるいは駆動装置の破損が生じる場合がある。応力としては、ミラーの面に垂直な方向、すなわち駆動装置のほぼ長手方向の応力と、ミラーの面の方向、すなわち駆動装置の長手方向にほぼ垂直方向の応力がある。ミラーも駆動装置も前者の応力に対しては、十分に強い構造を有する。ミラーと駆動装置の破損を乗じるのは、後者の応力、ミラーの面の方向、すなわち駆動装置の長手方向にほぼ垂直方向の応力である。ミラーと駆動装置との接合部に生じる、この応力を解放することができれば、ミラーあるいは駆動装置の破損を防止することができる。 In a conventional deformable mirror, when the drive device is operated to deform the mirror, a large stress is generated at the joint between the mirror and the drive device, and the mirror or the drive device is damaged when used repeatedly. There is. The stress includes a direction perpendicular to the mirror surface, that is, a stress in the substantially longitudinal direction of the driving device, and a stress substantially perpendicular to the direction of the mirror surface, that is, the longitudinal direction of the driving device. Both the mirror and the driving device have a sufficiently strong structure against the former stress. Multiplying the breakage of the mirror and the drive device is the latter stress, the stress in the direction of the mirror surface, that is, the stress substantially perpendicular to the longitudinal direction of the drive device. If the stress generated at the joint between the mirror and the driving device can be released, the mirror or the driving device can be prevented from being damaged.
したがって、ミラーの面の方向、すなわち駆動装置の長手方向にほぼ垂直方向の応力をどのように解放するかという課題がある。 Therefore, there is a problem of how to release stress in a direction substantially perpendicular to the direction of the mirror surface, that is, the longitudinal direction of the driving device.
本発明による形状可変ミラーは、入射する光の波面を補正するように駆動される。本発明による形状可変ミラーは、ミラー部分と当該ミラー部分の駆動装置との間に棒状部材を設け、棒状部材の長手方向の中心を含む位置に、長手方向の長さが棒状部材の長さの0.2倍から0.6倍であり、棒状部材の長手方向に垂直な面において、断面積が棒状部材の断面積の9倍から64倍であるブロック部分を備えている。 The deformable mirror according to the present invention is driven to correct the wavefront of incident light. In the variable shape mirror according to the present invention, a rod-shaped member is provided between the mirror portion and the driving device of the mirror portion, and the length in the longitudinal direction is the length of the rod-shaped member at a position including the center in the longitudinal direction of the rod-shaped member. A block portion having a cross-sectional area of 9 to 64 times the cross-sectional area of the rod-shaped member is provided on the surface perpendicular to the longitudinal direction of the rod-shaped member.
したがって、ミラーと駆動装置との間に働く応力が、棒状部材によって解放される。また、長手方向の長さが棒状部材の長さの0.2倍から0.6倍であり、棒状部材の長手方向に垂直な面において、断面積が棒状部材の断面積の9倍から64倍であるブロック部分を備えることにより、棒状部材に座屈が生じることはない。 Therefore, the stress acting between the mirror and the driving device is released by the rod-shaped member. Further, the length in the longitudinal direction is 0.2 to 0.6 times the length of the rod-shaped member, and the cross-sectional area in the plane perpendicular to the longitudinal direction of the rod-shaped member is 9 to 64 times the sectional area of the rod-shaped member. By providing the double block portion, the rod-shaped member does not buckle.
本発明の一実施形態による形状可変ミラーは、棒状部材とミラー部分との間にミラー接合部分を備え、棒状部材と駆動装置との間に駆動装置接合部分を備えている。 The variable shape mirror according to an embodiment of the present invention includes a mirror joint portion between the rod-shaped member and the mirror portion, and a drive device joint portion between the rod-shaped member and the drive device.
したがって、棒状部材とミラー部分および棒状部材と駆動装置が確実に接続される。 Therefore, the rod-shaped member and the mirror portion and the rod-shaped member and the driving device are securely connected.
本発明の一実施形態による形状可変ミラーにおいて、棒状部材が金属からなる。 In the variable shape mirror according to one embodiment of the present invention, the rod-shaped member is made of metal.
本発明の一実施形態による形状可変ミラーにおいて、棒状部材がモリブデン、タンタルまたは炭素鋼のいずれかからなる。 In the variable shape mirror according to an embodiment of the present invention, the rod-shaped member is made of molybdenum, tantalum, or carbon steel.
したがって、棒状部材は高い剛性を有し、応力を解放するのに都合がよい。 Therefore, the rod-shaped member has high rigidity and is convenient for releasing stress.
本発明の一実施形態による形状可変ミラーにおいて、ブロック部分が円筒形であり、円筒形の回転対称軸の位置と棒状部材の位置が重なる。 In the variable shape mirror according to one embodiment of the present invention, the block portion is cylindrical, and the position of the cylindrical rotational symmetry axis and the position of the rod-shaped member overlap.
したがって、ブロック部分が棒状部材を軸として軸対称となり、応力を解放するのに都合がよい。 Therefore, the block portion is axisymmetric with respect to the rod-shaped member as an axis, which is convenient for releasing stress.
本発明の一実施形態による形状可変ミラーにおいて、棒状部材の断面が円形であり、棒状部材の長さに対する当該円形の直径の比率が1/30から1/5である。 In the variable shape mirror according to one embodiment of the present invention, the rod-shaped member has a circular cross section, and the ratio of the diameter of the circle to the length of the rod-shaped member is 1/30 to 1/5.
したがって、棒状部材の形状が応力を解放するのに都合がよい。 Therefore, the shape of the rod-shaped member is convenient for releasing the stress.
本発明の一実施形態による形状可変ミラーにおいて、棒状部材の長さが、駆動装置の最大変位量の50倍から200倍である。 In the deformable mirror according to an embodiment of the present invention, the length of the rod-shaped member is 50 to 200 times the maximum displacement amount of the drive device.
したがって、棒状部材が、駆動装置の変位に十分に対応することができる。 Therefore, the rod-shaped member can sufficiently cope with the displacement of the drive device.
図3は、本発明の一実施形態による形状可変ミラーを示す図である。図3の形状可変ミラーにおいて、ミラー101の裏面と駆動装置102との間に棒状部材103が設けられている。
FIG. 3 is a view showing a deformable mirror according to an embodiment of the present invention. In the variable shape mirror of FIG. 3, a rod-
図3に示すように駆動装置のうちの一つが変位した場合または、図4に示すように駆動装置のうちの一つが隣接するものよりも大きく変位した場合に、周辺の駆動装置102とミラー101には、ミラーの面の方向、すなわち駆動装置の長手方向にほぼ垂直方向の応力が生じる。本実施形態においては、棒状部材103が変形することにより、この応力を解放する。
When one of the driving devices is displaced as shown in FIG. 3 or when one of the driving devices is displaced more than the adjacent one as shown in FIG. In this case, stress in a direction substantially perpendicular to the direction of the mirror surface, that is, the longitudinal direction of the driving device is generated. In the present embodiment, the stress is released by the deformation of the rod-
棒状部材の構造の詳細を図5および図6に示す。棒状部材の両端には、棒状部材とミラー101の接合部105および棒状部材と駆動装置との接合部106を設けてもよい。接合部105とミラーおよび接合部106と駆動装置は、接着などにより接続する。接続を確実にするために、棒状部材の長手方向に垂直な面において、接合部の断面積は棒状部材の断面積より大きくするのが好ましい。ただし、ミラーとの接合部105の断面積は、ミラーの変形を妨げないような大きさとする。本実施例では、ミラーとの接合部105の断面の直径は、駆動装置との接合部106の断面の直径の1/2である。棒状部材の棒状部分の材質は、モリブデン、タンタル、炭素鋼などであるのが好ましい。接合部105および106の材質は、モリブデン、タンタル、炭素鋼などであるのが好ましい。接合部と棒状部分とはかしめまたは溶接などにより接続する。また、一体的に形成するようにしてもよい。
Details of the structure of the rod-shaped member are shown in FIGS. You may provide the
図5の棒状部材の寸法を以下に示す。 The dimension of the rod-shaped member of FIG. 5 is shown below.
両端の接合部を含む長さ 11mm
各々の接合部の長さ 2.0mm
棒状部分の長さ 7.0mm
ミラーとの接合部の断面直径 1.0mm
駆動装置との接合部の断面直径 2.0mm
棒状部分の断面直径 0.3mm
11mm length including joints at both ends
Each joint length 2.0mm
Length of rod-shaped part 7.0mm
Section diameter 1.0mm at the junction with the mirror
Sectional diameter of the joint with the drive device 2.0mm
Cross section diameter of rod-shaped part 0.3mm
図6に示すように、棒状部材の長手方向の中心を含む位置に、たとえば円筒形のブロック107を設けてもよい。上記のように、棒状部材103が変形することにより、応力を解放するが、図5に示す構造では、棒状部分に過度の応力が生じ、座屈が発生することが考えられる。図6に示す構造では、ブロック107を設けることにより、棒状部分に座屈が発生するのを防止する。ブロック107の材質は、モリブデン、タンタル、炭素鋼などであるのが好ましい。ブロックと棒状部分とはかしめなどにより接続する。また、一体的に形成するようにしてもよい。
As shown in FIG. 6, for example, a
図6の棒状部材の寸法を以下に示す。 The dimension of the rod-shaped member of FIG. 6 is shown below.
両端の接合部を含む長さ 11mm
各々の接合部の長さ 2.0mm
ブロック部分の長さ 3.0mm
ブロック部分を除く棒状部分の長さ(ブロック部分の上下2箇所)
2.0mm
ミラーとの接合部の断面直径 1.0mm
駆動装置との接合部の断面直径 2.0mm
ブロック部分の断面直径 2.0mm
棒状部分の断面直径 0.3mm
11mm length including joints at both ends
Each joint length 2.0mm
Length of block part 3.0mm
The length of the bar-like part excluding the block part (two places above and below the block part)
2.0mm
Section diameter 1.0mm at the junction with the mirror
Sectional diameter of the joint with the drive device 2.0mm
Cross section diameter of block part 2.0mm
Cross section diameter of rod-shaped part 0.3mm
図7は、ブロック部分を含まない構造において、駆動装置の一つを駆動させた場合のシミュレーション結果であり、当該駆動装置の棒状部材および周辺の棒状部材に生じる変位を示す。図8は、ブロック部分を含む構造において、駆動装置の一つを駆動させた場合のシミュレーション結果であり、当該駆動装置の棒状部材および周辺の棒状部材に生じる変位を示す。図7および図8において、変位が大きいほど濃い色で表示する。 FIG. 7 is a simulation result when one of the drive devices is driven in a structure that does not include a block portion, and shows displacements that occur in the rod-like member of the drive device and the surrounding rod-like members. FIG. 8 is a simulation result when one of the drive devices is driven in a structure including a block portion, and shows displacements generated in the rod-like member of the drive device and the surrounding rod-like members. 7 and 8, the larger the displacement, the darker the color is displayed.
図7のシミュレーションに使用したデータは以下のとおりである。 The data used for the simulation of FIG. 7 is as follows.
駆動装置の駆動量
駆動装置と棒状部分との接合部
長さ 2.0mm
直径 2.0mm
棒状部分
長さ 7.0mm
直径 0.3mm
棒状部分とミラーとの接合部
長さ 2.0mm
直径 1.0mm
Drive amount of the drive unit Joint between the drive unit and the rod-shaped part Length 2.0 mm
Diameter 2.0mm
Rod-shaped part length 7.0mm
Diameter 0.3mm
Joining length of rod-shaped part and mirror 2.0mm
Diameter 1.0mm
図8のシミュレーションに使用したデータは以下のとおりである。 The data used for the simulation of FIG. 8 is as follows.
駆動装置の駆動量
駆動装置と棒状部分との接合部
長さ 2.0mm
直径 2.0mm
ブロックの下の棒状部分
長さ 2.0mm
直径 0.3mm
ブロック
長さ 3.0mm
直径 2.0mm
ブロックの上の棒状部分
長さ 2.0mm
直径 0.3mm
棒状部分とミラーとの接合部
長さ 2.0mm
直径 1.0mm
Drive amount of the drive unit Joint between the drive unit and the rod-shaped part Length 2.0 mm
Diameter 2.0mm
Bar-shaped part under the block Length 2.0mm
Diameter 0.3mm
Block length 3.0mm
Diameter 2.0mm
Bar-shaped part on the block Length 2.0mm
Diameter 0.3mm
Joining length of rod-shaped part and mirror 2.0mm
Diameter 1.0mm
図7および図8において、駆動されて変位を生じた駆動装置の棒状部分およびミラーとの接合部の変位に注目する。駆動されて変位を生じた駆動装置の棒状部分およびミラーとの接合部の変位は、図7のブロックを含まない構造に比較して、図8のブロックを含む構造の方が大きい。実際に、ミラーの変位量は、図8のブロックを含む構造の方が大きくなっている。このことは、図8のブロックを含む構造の方が駆動装置の力がミラーにより効率的に伝えられることを意味する。図7のブロックを含まない構造の場合には、ミラーに伝わらない力が周辺の棒状部材に伝わりより大きな応力を生じることになる。 In FIGS. 7 and 8, attention is paid to the displacement of the rod-like portion of the drive device that has been driven to cause the displacement and the joint portion with the mirror. The displacement of the joint portion between the rod-shaped portion of the driving device and the mirror that has been driven and the mirror is larger in the structure including the block of FIG. 8 than in the structure not including the block of FIG. Actually, the displacement amount of the mirror is larger in the structure including the block of FIG. This means that the structure including the block of FIG. 8 allows the driving force to be transmitted more efficiently by the mirror. In the case of a structure that does not include the block of FIG. 7, a force that is not transmitted to the mirror is transmitted to the surrounding rod-like member, and a greater stress is generated.
図8におけるブロックの上下の棒状部分の長さは図7におけるブロックを含まない棒状部分の長さの約1/3である。棒状体の座屈応力は長さの二乗に反比例するため、図8のブロックを含む構造の棒状部分に座屈が生じる可能性はきわめて低くなる。 The length of the upper and lower bar-like portions of the block in FIG. 8 is about 1/3 of the length of the bar-like portion not including the block in FIG. Since the buckling stress of the rod-shaped body is inversely proportional to the square of the length, the possibility of buckling in the rod-shaped portion of the structure including the block of FIG. 8 is extremely low.
このように、図8のブロックを含む構造は、ミラーとの接合部に生じる応力を解放する。さらに、駆動装置の力をミラーにより効率的に伝えることができると共に、座屈を生じる可能性がきわめて低い。 Thus, the structure including the block of FIG. 8 releases the stress generated at the joint with the mirror. Furthermore, the force of the driving device can be efficiently transmitted by the mirror, and the possibility of causing buckling is extremely low.
1、101 形状可変ミラー
102 駆動装置
103 棒状部材
105 ミラーとの接合部
106 駆動装置との接合部
107 ブロック
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