JP5398371B2 - 非球面光学素子の形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、レンズまたは鏡などの非球面の光学素子の形成方法に関する。本発明は、特には、大寸法の分割鏡のセグメントの成形に適用される。

非球面の光学素子の形成は、とくには、きわめて低いレベルの粗さできわめて正確に定められた形状を有する大寸法（例えば、１メートル（ｍ）以上の直径）の複雑な非球面を得る必要がある場合に、時間がかかり、困難であり、かつ高価につくプロセスである。

これらの状況は、例えば、数十メートルもの直径に達することがあり、「超大型望遠鏡（ＥＬＴ）」として知られる最近の天体望遠鏡の主鏡として使用されるきわめて大型の分割鏡を作り上げる目的のためのセグメントを製造する場合に、見受けられる。これらの鏡は、おおむね六角形の形状の多数（数百または数千）のセグメントを、辺対辺で組み合わせて構成される。各セグメントの位置および向きを、ナノメートル程度の精度および分解能を有するアクチュエータによって制御することができる。各セグメントは、比較的大きな寸法（１メートル程度、またはそれ以上）の軸外の非球面鏡によって構成される。

そのような非球面の光学素子の成形に使用することができる第１の技法は、ロボットアームに取り付けられた小寸法の工具を使用する数値制御の研削および研磨である。この方法は、とくには、「カナリア大望遠鏡（Ｇｒａｎ Ｔｅｌｅｓｃｏｐｉｏ Ｃａｎａｒｉａｓ）」という望遠鏡の素子の製造に使用されている。Ｒ．Ｇｅｙｌらによる論文「Ｇｒａｎ Ｔｅｌｅｓｃｏｐｉｏ ｏｐｔｉｃｓ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ：ｆｉｎａｌ ｒｅｐｏｒｔ」、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ、Ｖｏｌ．６２７３、２００６年を参照されたい。この方法は、高い空間周波数の多数の表面欠陥を生じさせるという欠点を呈しており、欠陥を、イオン衝撃による加工という後続の工程において修正する必要がある。結果として、時間がかかり高価につく製造となる。

応力鏡研磨（ＳＭＰ）として知られる第２の技法が、１９８０年にＪ．ＬｕｂｌｉｎｅｒおよびＪ．Ｎｅｌｓｏｎによって提案されている。Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｋｅｃｋ望遠鏡に使用され、将来の３０メートル望遠鏡（ＴＭＴ）に推奨されるこの技法は、複雑かつ高度に非球面な光学面を迅速に得ることを、単に単純な球面の研磨へと還元して可能にする。この技法においては、球形の面からなる光学面を有している成形のための素材を、所望される形状に対して相補的である非球面形状を呈するように、機械的に変形させる。その後に、この変形させた光学面を、球面になるように摩耗によって成形する（研削および研磨する）。最後に、この素材が解放し、初期の休止状態へと戻す。このようにして、変形させられた状態のもとで球面の外形を得た素材の光学面が、所望の非球面形状をとる。

ＳＭＰ技法は、小型の工具による数値制御の研磨よりも高速であり、より良好な品質の表面を得ることを可能にする。しかしながら、素材へと加えられる変形応力が完璧には一様でなく、このことが、成形後の光学面の外周に欠陥を生じさせる。この欠点を改善するために、そのような欠陥が集中する領域（素材の厚さ（典型的には、数十ミリメートル）と同程度の幅を有する）に相当する外周のリングを切除することができるよう、所望の光学素子の直径よりも大きい直径の素材を使用することができる。これは、出来上がった光学素子のコストを上昇させる。

これに代え、あるいはこれに加えて、表面の欠陥を、イオン衝撃による加工という後続の工程によって修正することもできる。しかしながら、この作業も、やはり余分なコストにつながる。

ＳＭＰ技法は、以下の論文に詳しく記載されている。

Ｊ．Ｌｕｂｌｉｎｅｒ、Ｊ．Ｎｅｌｓｏｎ：「Ｓｔｒｅｓｓｅｄ ｍｉｒｒｏｒ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ． １：Ａ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｎｏｎ−ａｘｉｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ ｍｉｒｒｏｒｓ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ、Ｖｏｌ．１９、Ｎｏ．１４、２３３２〜２３４０頁、１９８０年。 Ｊ．Ｎｅｌｓｏｎら：「Ｓｔｒｅｓｓｅｄ ｍｉｒｒｏｒ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ． ２：Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａｎ ｏｆｆ−ａｘｉｓ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｐａｒａｂｏｌｏｉｄ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ、Ｖｏｌ．１９、Ｎｏ．１４、２３４１〜２３５２頁、１９８０年。 Ｆ．Ｓ．Ｓｐｏｒｅｒ：「ＴＭＴ−Ｓｔｒｅｓｓｅｄ ｍｉｒｒｏｒ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｆｉｘｔｕｒｅ ｓｔｕｄｙ」、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ、Ｖｏｌ．６２６７、２００６年。

本発明は、非球面光学素子の成形方法を改善しようとするものである。

さらに詳しくは、本発明の目的は、発生する表面欠陥が従来技術において公知のＳＭＰ技法よりも少ない非球面光学素子の成形方法を提供することにある。

本発明の別の目的は、成形作業の終わりにおいて切除されなければならない素材の外周領域の厚さを最小限にし、あるいはそのような外周領域を完全になくすことにある。

本発明のさらに別の目的は、ＳＭＰ形式の方法の実行をより簡単かつより安価にすることにある。

本発明によれば、上述の目的のうちの少なくとも１つを、
非球面の光学素子の成形方法であって、
・成形すべき光学面を呈している光学素子の素材を、リングの内側へと、素材の光学面が該リングの縁よりも突き出すように固定するステップ、
・リングを制御された様相で変形させるようなやり方で、リングの周囲へと力を加えることで、リングの内側へと固定された素材の光学面をも変形させるステップ、
・前記変形させた光学面を、球面または平面の形状を回復するように摩耗によって成形するステップ、および
・素材をリングから取り出して、前記成形後の光学面を変形させている応力を解放することで、所望の非球面形状の獲得を可能にさせるステップ
を含んでいる方法によって達成することができる。

本発明の好都合な実施例においては、
・素材を、素材の外周の全体において接着剤によって前記リングの内側へと固定することができる。
・素材の光学面を、リングの前記縁から０．５ミリメートル（ｍｍ）〜５ｍｍ、好ましくは１ｍｍ〜２ｍｍ突き出させることができる。
・前記リングが、素材の厚さの１〜５倍の範囲、好ましくは２〜３倍の範囲の最大厚さを呈することができる。前記リングが、外周領域に追加の厚さを呈することができ、該追加の厚さが、前記光学面から離れる方向に延びている。
・前記リングについて、半径方向に測定される幅ｌが、前記素材の厚さ以上であってよく、好ましくは前記幅の１〜２倍の範囲にあってよい。
・素材を、ガラスまたはセラミック材料で製作できる一方で、リングが金属で製作される。
・半径方向に延びる（外向きまたは内向きに延びる）アームを、リングおよび素材を変形させるべく前記力およびモーメントを加える目的で、前記リングの周囲へと固定することができる。とくには、これらのアームを、前記リングの周囲の全体を巡って一様に配置でき、アームの数は、４〜２４の範囲、好ましくは６〜１２の範囲にある。
・前記アームを、外側に向かって半径方向に延ばすことができ、あるいは好都合には、前記リングの内側に向かって半径方向に延ばすことができる。
・前記素材が、実質的に円形の形状を呈することができる。そのような状況のもとで、この方法は、成形後の素材を切断して、成形後の素材に実質的に六角形の形状を与える後続のステップをさらに含むことができる。
・いずれの場合も、この方法は、成形後の素材を切断して、成形後の素材から外周の領域を除去する後続のステップをさらに含むことができる。
・前記成形するステップが、少なくとも研削作業および研磨作業を含むことができる。
・この方法は、磨きロボットによって仕上げ研磨を行う後続のステップをさらに含むことができる。
・とくには、前記光学素子は、複合鏡の素子であってよい。

本発明の他の特徴、詳細、および利点は、あくまでも例として与えられる添付の図面を参照して行われる以下の説明を検討することによって、明らかになる。

本発明の方法による変形および成形に備えてリングに固定された光学素子の素材を見上げた図である。 図１の素材およびリングによって構成された集合体の断面の詳細図である。 素材およびリングによって構成された本発明の別の実施形態による集合体の断面の詳細図である。 本発明の別の実施形態の素材およびリングの集合体を見上げた図である。

本発明の方法は、適切な材料（典型的には、ガラスまたはセラミック）で作られた素材から出発して、鏡またはレンズなどの非球面の光学素子の製造を可能にする。

本発明の実行に適する素材１は、おおむねプレートの形態の形状を呈しており、すなわち１つの寸法が残りの２つの寸法よりも著しく小さい（少なくとも１桁は小さい）形状を呈している。典型的には、素材１は、１０ｍｍ〜１００ｍｍ程度（例えば、５０ｍｍ）の厚さを有することができ、１０００ｍｍ〜２０００ｍｍ程度（あるいは、それ以上）の直径を有することができる。

素材１は、好ましくは後述される理由で円形であり、それは、製造される光学素子が何らかの他の形状（例えば、六角形）を有する場合にも当てはまる。好都合には、素材の直径が、仕上がりの光学素子の直径よりも大きい。例えば、１５００ｍｍの直径を有する六角形の鏡を製造するために、１６００ｍｍの直径を有する素材から出発することが可能である。

このように、素材１は、おおむね円柱形であって、ｅ_１＜＜ｄ_１なる直径ｄ_１および高さ（厚さ）ｅ_１を有しており、２つの主表面１０および１１を、外周面または側面１２とともに呈している。

主表面１０が、成形すべき「光学面」である。好ましくは、主表面１０は、球面または平面の形状から出発する。

ここで、反対側の主表面１１（後面）は、平面であると仮定される。

従来技術の一般的なＳＭＰ技法によれば、力およびモーメントを加えることによって素材１を変形させることができるよう、半径方向を向いたアームを、例えば接着剤によって素材１の側面１２へと固定することができる。Ｊ． Ｌｕｂｌｉｎｅｒらによる上述の論文においては、所望の目的にとって適切な変形を、素材の側面１２に対して平行かつ素材の主表面１０および１１に対して垂直な向きのせん断力、ならびに前記側面１２に対して接線方向かつ主表面１０および１１に対して平行な向きの軸を中心とする曲げモーメントを、単に前記アームへと加えることによって得ることができると示されている。

上述のように、アームを介して素材１へと加えられる力は、光学面１０に所望の形状に対して相補的である非球面形状を与えるように選択される。表面の変形（球形に対する相違）の程度は、数百マイクロメートル程度に達する可能性があり、素材の光学面１０そのものまたは反対側の面１１の干渉計測によって正確に監視することができる。典型的には、光学面１０の変形が、非点、コマ、およびおそらくは球面デフォーカスの形式の収差を生じさせる。

その後に、変形させた表面１０を平坦または球面にするために、摩耗による従来からの成形方法（研削およびその後の研磨）が実行される。応力を解放すると、素材が緩み、結果として成形済みの表面１０が、所望の非球面形状をとる。

表面１０の特性を、とくには干渉分光法によって明らかにすることができ、必要であれば、応力のもとでの研磨という新たな工程を実行することができる。

この方法は、いくつかの欠点を抱えている。

第１に、変形の力およびモーメントが、素材の全体に一様に加わるのではなく、アームに集中する。これにより、応力が一様でなくなり、素材の外周に変形が生じる。これにより、成形後に「セレーション」が生じ、すなわち光学面が、素材の円周を巡って周期的に変調されることになる。

さらに、アームによって素材へと加えられる力が局所的にきわめて強烈であり、高い空間周波数での表面欠陥につながる可能性があり、裂けを生じさせることさえ考えられ、このことが、使用できる変形の範囲を小さくする。

これらの理由のため、外周のリングを成形後の素材から切除することが推奨され、リングの幅は、少なくとも前記素材の厚さと同程度であり、あるいはそれ以上である。

本発明の発明者は、成形のための素材をリングの内側に固定し、変形の力およびモーメントをこのリングへと加えることで、これらの欠点を除くことができ、あるいは少なくとも大いに軽減できることに気が付いた。このやり方で、変形の応力が、リングにおいて「平均」されて、一様にされた後に、初めて素材へと伝達される。これが、セレーション効果ならびに素材の側面に集中させられた力によって使用されるような高い空間周波数の欠陥の両者を、回避するうえで役に立つ。

図１は、接着剤の層３によって金属（例えば、インバール）製のリング２の内表面２２へと固定された素材１を示している。リングを構成する材料は、得られた集合体が作業場の環境での成形作業の継続時間のあいだ安定であるように選択される。とくには、集合体の温度安定性が最適にされる。

放射状に外へと延びるアーム４が、変形の力およびモーメントを加えるために、リングの外表面２３へと固定されている。これらの力およびモーメントを加えることによって引き起こされる応力が、リング２において一様にされ、接着剤の層３を介して素材１へと伝達される。

代案として、図４に示されているように、アームをリングの内側へと（素材の上方または下方に）延ばしてもよい。この技術的解決策は、よりコンパクトな集合体をもたらすことを可能にするが、アームの数が多い場合には実現が困難になる。

典型的には、それぞれのアームが、２つのアクチュエータを保持する。第１のアクチュエータは、リングへと力を加えるためにアームとリングとの間の接点に位置し、第２のアクチュエータは、モーメントを加えるためにアームの遠位端に位置する。得ようとする変形に応じ、モーメントの印加は必ずしも必要でなく、そのような状況のもとでは、アームを設けることが必須ではなく、アクチュエータをリングの外表面へと直接固定することが可能である。リングへと直接固定されたアクチュエータが、素材の中央面よりも上方または下方に位置している場合には、小さな大きさのモーメントを、アームなしで加えることが可能である。

いずれにせよ、アームの数、またはアームが存在しない場合のアクチュエータの数は、通常は少なくとも４つであり、好ましくは少なくとも６つである。

１５００ｍｍの直径を有する「Ｚｅｒｏｄｕｒ」セラミック製の鏡について、１６２マイクロメートル（μｍ）の変形を、２４本のアームおよび１６００ｍｍの外径を有するインバール製リングを使用することによって、２メガパスカル（ＭＰａ）を超えない素材の応力にて得られることが、数値シミュレーションによって示されている。これに比べ、アームが従来技術の方法のように素材の側面へと直接固定されるならば、素材の応力は、容認できない１０ＭＰａに達すると考えられる。

図１は、後面１１から見たリングおよび素材の集合体を示している。この図において、参照番号２０および２１が、素材の光学面１０の傍らおよび後面１１の傍らにそれぞれ位置するリングの「上」縁および「下」縁を示している。

図２が、素材１とリング２との間の接続を、さらに詳しく示している。リング２が、素材の厚さ（ｅ_１）よりもおおむね大きい厚さｅ_２を呈していることを、見て取ることができる。目安として、ｅ_２は、ｅ_１の１〜５倍の範囲に位置することができ、好ましくはｅ_１の２〜３倍の範囲に位置することができる。

それにもかかわらず、素材の光学面１０は、高さｈだけリングの上縁２０よりも突き出している。この高さは、典型的には０．５ｍｍ〜５ｍｍ程度であり、好ましくは１ｍｍ〜２ｍｍの範囲にあるが、光学面１０の研磨に使用される部材とリング２との間に接触が存在しないように保証するために充分でなければならない。

リングの幅ｌ_２は、通常は、少なくとも素材の厚さと同程度である（典型的には、この厚さの１〜２倍の範囲にあり、より一般的には、０．５〜２倍の範囲にあり、場合によってはそれ以上である）。リングの幅が不充分であると、応力が充分に一様にされないが、厚く作られすぎると、リングおよび素材の集合体を変形させることがより困難になる。

力および曲げモーメントを加えるためのアーム４は、好ましくは、リングが接着剤の層を介して素材の外形１２を巡って応力をより良好に分布させるよう、リングの下縁（すなわち、光学面１０から遠い縁）の付近でリングへと固定される。

リング１の使用は、応力がより一様にされるという上述の効果のおかげで、素材を変形させるために必要なアームの数を少なくするように機能する。その結果、本発明によれば、従来技術の技法を使用したならば２４本以上のアームを使用する必要があると考えられる状況において、４〜６または１２本までの範囲の数のアームを使用することができる。このアームの数の削減は、設定すべきパラメータの数の削減につながり、結果としてこの方法の実施がより簡単になり、設定ミスの恐れが少なくなる。

さらには、アームの数が少なくなることで、集合体の全体的なサイズを小さくすべくアームがリングの内側へと向けられる図４の実施形態の実現が、大いに容易にされる。

上述のように、特定の状況下では、リングの外表面へと直接固定された４つ以上のアクチュエータによって素材を変形させることで、アームを省略することさえ可能である。

接着剤の層３は、好ましくは、素材１の全周１２にわたって一様な様相で配置される。これは、同時に、素材の変形の一様性を最大にするようにも機能し、応力の強さを最小限にするようにも機能する。

いずれの場合も、素材を、成形作業の終わりにおいてリングから分離させることができなくてはならない。例えば、接着剤を、溶媒を使用して溶かすことができ、あるいは熱の作用のもとで分解させてもよい。

図３が、本発明の別の実施形態を示しており、リング２が矩形の断面ではなく、外周部分により厚さの大きい領域２４を呈している。この実施形態によれば、重たい工具であるリングをより軽くすることができる。

図１に示した実施形態においては、素材１およびリング２の両者が、円対称である。これは、この種の形状においては変形をより良好に制御することが可能であり、応力の集中を回避することが可能であるため、好ましい実施形態である。何らかの他の形状の光学素子（とくには、六角形の素子）を、成形後の円形の素材を適切に切断することによって得ることができる。

しかしながら、一変種においては、他の形状（六角形、正方形、・・・）の素材および／またはリングを使用することも可能である。さらに、リングの幅ｌ_２は、必ずしも一定である必要はなく、例えば六角形のベースを有する１つの内表面２２と円形のベースを有する１つの外表面とを有するリングを使用することが考えられる。

Claims (20)

1. 非球面の光学素子の成形方法であって、
   ・成形すべき光学面（１０）を呈している光学素子の素材（１）を、リング（２）の内側へと、素材の光学面が該リングの縁（２０）よりも突き出すように固定するステップ、
   ・リングを制御された状態で変形させるために、リングの周囲（２３）へと力を加えることで、リングの内側へと固定された素材の光学面も変形させるステップ、
   ・前記変形させた光学面を、球面または平面の形状を回復するように摩耗によって成形するステップ、および
   ・素材をリングから取り出して、前記成形後の光学面を変形させている応力を解放することで、所望の非球面形状の獲得を可能にさせるステップ
   を含んでいる方法。
2. 前記素材が、その外周（１２）の全体において接着剤によって前記リングの内側へと固定される、請求項１に記載の方法。
3. 前記素材の光学面が、前記リングの前記縁から０．５ｍｍ〜５ｍｍ突き出している、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記素材の光学面が、前記リングの前記縁から１ｍｍ〜２ｍｍ突き出している、請求項３に記載の方法。
5. 前記リングが、前記素材の厚さ（ｅ_１）の１〜５倍の範囲の最大厚さ（ｅ_２）を呈している、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記リングが、前記素材の厚さ（ｅ _１ ）の２〜３倍の範囲の最大厚さ（ｅ _２ ）を呈している、請求項５に記載の方法。
7. 前記リングが、外周領域に追加の厚さ（２４）を呈しており、該追加の厚さが、前記光学面から離れる方向に延びている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記リングについて、半径方向に測定される幅（ｌ_２）が、前記素材の厚さ以上である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記リングについて、半径方向に測定される幅（ｌ _２ ）が、前記素材の厚さ以上であり、前記幅の１〜２倍の範囲にある、請求項８に記載の方法。
10. 前記素材が、ガラスまたはセラミック材料で作られており、リングが、金属で作られている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 半径方向に延びるアーム（４）が、前記リングおよび素材を変形させるべく前記力およびモーメントを加える目的で、前記リングの周囲（２３）へと固定されている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記アームが、前記リングの周囲の全体を巡って一様に配置されており、前記アームの数が、４〜２４の範囲にある、請求項１１に記載の方法。
13. 前記アームの数が、６〜１２の範囲にある、請求項１２に記載の方法。
14. 前記アームが、前記リングの内側に向かって半径方向に延びている、請求項１２または１３に記載の方法。
15. 前記素材が、実質的に円形の形状を呈している、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記成形後の素材を切断して、当該成形後の素材に実質的に六角形の形状を与える後続のステップをさらに含んでいる、請求項１５に記載の方法。
17. 前記成形後の素材を切断して、当該成形後の素材から外周の領域を除去する後続のステップをさらに含んでいる、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記成形するステップが、少なくとも研削作業および研磨作業を含んでいる、請求項１に記載の方法。
19. 磨きロボットによって仕上げ研磨を行う後続のステップをさらに含んでいる、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の方法。
20. 前記光学素子が、複合鏡の素子である、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の方法。

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