JP6961350B2

JP6961350B2 - 可変形状鏡

Info

Publication number: JP6961350B2
Application number: JP2017017297A
Authority: JP
Inventors: クリストフ・ドゥビリエ; フェリクス・アギラル; カメル・ウエリ; オレリアン・スオー
Original assignee: タレス; サントル、ナショナル、デチュード、スパシアル
Priority date: 2016-02-03
Filing date: 2017-02-02
Publication date: 2021-11-05
Anticipated expiration: 2037-02-02
Also published as: KR20170092477A; JP2017138595A; IL250385A0; EP3203299A1; EP3203299B1; US10088649B2; FR3047321B1; US20170219796A1; ES2709938T3; FR3047321A1

Description

本発明は、能動光学の宇宙応用分野に属し、かつアクチュエータにより変形させる能動鏡としても知られる、可変形状鏡に関する。

望遠鏡は、主鏡とも呼ばれる、主要な鏡を有する。主鏡は、光線を副鏡に集中させ、副鏡はそれら光線を望遠鏡の焦点に戻す。主鏡は、例えば重力の影響下で変形してはならない。多くの場合、主鏡の欠陥を修正するために、可変形状中間鏡が使用される。また、中間鏡は、１つまたは複数のアクチュエータにより変形させる。

最新の望遠鏡は、いわゆる「能動」可変光学素子を備えている。それゆえ、このような望遠鏡の鏡は、望遠鏡の光学性能レベルを常に最適化するために、鏡の背後に直接固定されたアクチュエータにより永久変形させる。

良好な分解能を得るために、アクチュエータの変位を有意な係数で分割することを可能にする、ばねに取り付けられた浮動ヘッドを有する。

それでもなお、鏡とアクチュエータの浮動ヘッドとの連結は、いくつかの問題を引き起こす。第１に、修正できない鏡の変形を発生させる重大な統合欠陥があることが残念である。この欠陥は、いわゆる寄生トルクに起因するものである。アクチュエータが鏡を変形させるように動作しているときに寄生トルクが注入される原因となる、ばねによる浮動ヘッドの不十分な位置合わせおよび案内が生じる可能性もある。最後に、発射は、発射時に、鏡とアクチュエータとの間に剛性連結が必要となる付加応力を課し、鏡により支持される相殺される追加の質量（特に浮動ヘッドの質量）のため大きなモーメントおよび荷重が鏡上に発生する。

本発明は、発射段階でかつ重力下でも鏡に生じる動的荷重およびモーメントを軽減する目的でアクチュエータにより生じる寄生トルクを膜から切り離すためにアクチュエータと膜との間に位置する平板およびリンク要素をも備える、アクチュエータにより変形させることができる膜を有する可変形状鏡を提案することにより、上述の問題の全てまたは一部を緩和することを目的とする。

この目的のために、本発明の主題は、静止時に第１の平面内に延びるとともに、反射する前面と前面とは反対側の背面とを有する可変膜と、支持構造体と、第１の端部と第２の端部とを有するアクチュエータであって、第１の端部が支持構造体に固定され、可変膜を局所的に変形させるために、第１の軸線Ｚ上において背面に軸方向荷重をかけるように第２の端部を第１の平面に実質的に垂直な第１の軸線上における第１の端部に対して変位させることができる、アクチュエータと、第１の平面に実質的に平行な第２の平面において実質的に平坦であり、アクチュエータと可変膜との間に位置決めされ、背面に結合され、かつアクチュエータが軸方向荷重をかけるときに変形させることが可能である、板とを備える、可変形状鏡であり、ならびに、板は、第２の平面において鏡に加わる荷重を担うために第２の平面において剛性である。

一実施形態によれば、鏡は、板と可変膜との間に位置決めされた弾性要素を備える。

別の実施形態によれば、板は、アクチュエータと可変膜との間の軸方向荷重のみを伝達するようにかつ板に対する可変膜の第１の平面内での自由な変位を可能にするように構成されたカプラを介して背面に結合される。

別の実施形態によれば、鏡は、板とアクチュエータの第２の端部との間に位置決めされた弾性要素を備える。

別の実施形態によれば、鏡は、板と支持構造体との間に位置決めされた弾性要素を備える。

別の実施形態によれば、アクチュエータは、アクチュエータの第２の端部に位置決めされた、第２の平面に実質的に平行な第３の平面内で自由に平行移動しかつ自由に回転するヘッドを備え、ならびにヘッドは、アクチュエータの第２の端部の変位を抑制するために、少なくとも１つの弾性要素により支持構造体に結合される。

別の実施形態によれば、鏡は、可変膜を支持構造体に結合する埋め込み脚部を備え、かつ板は、埋め込み脚部内に固定された端部を有する。

別の実施形態によれば、アクチュエータが軸方向荷重をかけたときの板の変形を促進するために、板が中空状に形成される。

別の実施形態によれば、鏡は、各々が第１の端部と第２の端部とを有する複数のアクチュエータであって、第１の端部が支持構造体に固定され、可変膜を局所的に変形させるために、第１の軸線上において背面に軸方向荷重をかけるように第２の端部を第１の平面に実質的に垂直な第１の軸線上における第１の端部に対して変位させることができる、アクチュエータを備える。

本発明は、上述の実施形態のうちの２つ以上の実施形態の組み合わせにより得られる任意の実施形態に関する。

以下の添付図面により図示されている、例として与えられたいくつかの実施形態の詳細な説明を読むことで、本発明がより良く理解され、かつ他の利点が明らかになるであろう。

図１は、本発明による可変形状鏡の第１の実施形態を概略的に表す。図２は、本発明による可変形状鏡の第２の実施形態を概略的に表す。図３は、本発明による可変形状鏡の第３の実施形態を概略的に表す。図４は、本発明による可変形状鏡の第４の実施形態を概略的に表す。図５は、本発明による可変形状鏡の第５の実施形態を概略的に表す。図６は、本発明による可変形状鏡の第６の実施形態を概略的に表す。図７は、本発明による可変形状鏡の第７の実施形態を概略的に表す。図８は、本発明による可変形状鏡の第８の実施形態を概略的に表す。図９は、本発明による可変形状鏡の第９の実施形態を概略的に表す。図１０は、本発明による可変形状鏡の第１０の実施形態を概略的に表す。図１１は、本発明による可変形状鏡の第１１の実施形態を概略的に表す。図１２は、複数のアクチュエータを備える本発明による可変形状鏡の第１２の実施形態を概略的に表す。

明確さのために、異なる図において同じ要素には同じ参照符号が付される。

図１は、本発明による可変形状鏡１０の第１の実施形態を概略的に表している。可変形状鏡１０は、静止時に第１の平面１３内に延びるとともに、反射する前面と前面とは反対側の背面１２とを有する可変膜１１と、支持構造体１４と、第１の端部１６と第２の端部１７とを有するアクチュエータ１５であって、第１の端部１６が支持構造体１４に固定され、可変膜１１を局所的に変形させるために、第１の軸線Ｚ上において背面１２に軸方向荷重をかけるように第２の端部１７を第１の平面１３に実質的に垂直な第１の軸線Ｚ上における第１の端部１６に対して変位させることができる、アクチュエータ１５とを備える。本発明によれば、可変形状鏡１０は、第１の平面１３に実質的に平行な第２の平面１９において実質的に平坦であり、アクチュエータ１５と可変膜１１との間に位置決めされ、背面１２に結合され、かつアクチュエータ１５が軸方向荷重をかけたときに変形させることが可能である、板１８を備え、ならびに、板１８は、第２の平面１９において鏡１０に加わる荷重を担うために第２の平面１９において剛性である。

平板１８は、鏡１０に加わる、荷重、寄生トルクおよびモーメントをフィルタリングする作用のため、フィルタリング用平板と呼ばれることもある。その上、鏡１０に加わる荷重を担うために板１８が第２の平面１９において剛性であるということは、「荷重」という用語が鏡に加わる寄生トルクとモーメントも含む広い意味で解釈されるべきである。

可変形状鏡１０が単一のアクチュエータ１５を備えた状態で概略的に表されている。本発明はまた、２個、３個、またはより一般には複数のアクチュエータを備える可変形状鏡に適用される。可変形状鏡は通例、２４個のアクチュエータを備えることができる。可変形状鏡のアクチュエータの数は、１００個程度とすることもできる。多数のアクチュエータは、可変膜の変形の高い精度を得ることを可能にする。

各アクチュエータは、軸線Ｚ上において可変膜の背面に軸方向荷重をかける。より具体的には、アクチュエータは、可変膜の背面を可変膜の平面に実質的に垂直に引っ張るように構成される。アクチュエータはまた、可変膜の背面を可変膜の平面に実質的に垂直に押圧することができる。したがって、アクチュエータは、可変膜を変形させるために軸線Ｚ上において可変膜に一軸方向荷重をかける。

板１８は、板１８の平面１９において剛性であり、板１８の平面１９において全ての荷重を吸収するために、その平面以外は可撓性である。板１８は、金属材料、例えばチタンまたはステンレス鋼からなる。板１８は、厚さが３．５ｍｍ程度の可変膜に対して、例えば０．５ｍｍ程度の薄さとすることができる。

有利には、可変形状鏡１０は、板１８と可変膜１１との間に位置決めされた弾性要素２１を備えることができる。弾性要素２１は、例えば、ばねまたは発泡体または一定の弾性を呈する他の任意の要素とすることができる。弾性要素２１は、アクチュエータ１５と可変膜１１との間に有意な低減率を得ることを可能にし、かつアクチュエータにより生じるトルクおよびモーメントをフィルタリングすることを可能にする。

図２は、本発明による可変形状鏡２０の第２の実施形態を概略的に表している。可変形状鏡２０は、図１に示す可変形状鏡１０と同じ要素を備えるが、可変形状鏡２０が、板１８とアクチュエータ１５の第２の端部１７との間に位置決めされた弾性要素２２を備えることにより、可変形状鏡１０と区別される。この構成は、アクチュエータ１５の第２の端部１７の変位を抑制すること、ひいてはアクチュエータ１５が軸線Ｚ上に軸方向荷重を加えたときの可変膜１１の変形の著しく高い精度を得ることを可能にする。弾性要素２２は、例えば、ばねまたは発泡体または一定の弾性を呈する他の任意の要素とすることができる。弾性要素２２は、弾性要素２２の選択された剛性の関数として、アクチュエータ１５と可変膜１１との間に有意な低減率を得ることを可能にする。アクチュエータ１５が可変膜１１の背面に軸方向荷重を発生させたときに、アクチュエータ１５の可能な変位と、要素２２のために選択された剛性とに応じて、可変膜１１の制御された変形を得ることが可能である。

図３は、本発明による可変形状鏡３０の第３の実施形態を概略的に表している。可変形状鏡３０は、図１に示す可変形状鏡１０と同じ要素を備えるが、板１８が、アクチュエータ１５と可変膜１１との間の軸方向荷重のみを伝達するようにかつ板１８に対する可変膜１１の第１の平面内での自由な変位を可能にするように構成されたカプラ３１を介して背面１２に結合されることにより、可変形状鏡１０と区別される。カプラ３１は、例えば、連結ロッドとも呼ばれる、長手方向の金属部品とすることができ、有利には非常に低い膨張係数を有する。カプラ３１は、チタン、ステンレス鋼、または鉄６４％とニッケル３６％の合金で作ることができる。カプラ３１は、寄生モーメント（これらモーメントはフィルタリング用板１８により担われる）をフィルタリングする曲げ可撓性を生み出すことを可能にする横断面の減少部を有することができる。

可変形状鏡３０が単一のカプラ３１を備えた状態で概略的に表されている。本発明はまた、板１８と可変膜１１との間に均等または不均等に分配配置された２個、３個、またはより一般には複数のカプラ３１を備える可変形状鏡に適用される。

図４は、本発明による可変形状鏡４０の第４の実施形態を概略的に表している。可変形状鏡４０は、図３に示す可変形状鏡３０と同じ要素を備えるが、可変形状鏡４０が、板１８とアクチュエータ１５の第２の端部１７との間に位置決めされた弾性要素２２を備えることにより、可変形状鏡３０と区別される。この構成は、アクチュエータ１５の第２の端部１７の変位を抑制すること、ひいてはアクチュエータ１５が軸線Ｚ上に軸方向荷重を加えたときの可変膜１１の変形の著しく高い精度を得ることを可能にする。

図５は、本発明による可変形状鏡５０の第５の実施形態を概略的に表している。可変形状鏡５０は、図１に示す可変形状鏡１０と同じ要素を備えるが、可変形状鏡５０が、板１８と支持構造体１４との間に位置決めされた弾性要素５１を備えることにより、可変形状鏡１０と区別される。弾性要素５１は、例えば、ばねまたは発泡体または一定の弾性を呈する他の任意の要素とすることができる。この弾性要素５１は、アクチュエータ１５の第２の端部１７の変位を抑制すること、ひいてはアクチュエータ１５が軸線Ｚ上に軸方向荷重を加えたときの可変膜１１の変形の著しく高い精度を得ることを可能にする。

図６は、本発明による可変形状鏡６０の第６の実施形態を概略的に表している。可変形状鏡６０は、図５に示す可変形状鏡５０と同じ要素を備えるが、可変形状鏡６０が、板１８とアクチュエータ１５の第２の端部１７との間に位置決めされた弾性要素２２を備えることにより、可変形状鏡５０と区別される。この構成は、アクチュエータ１５の第２の端部１７の変位を抑制すること、ひいてはアクチュエータ１５が軸線Ｚ上に軸方向荷重を加えたときの可変膜１１の変形の著しく高い精度を得ることを可能にする。

可変形状鏡５０の構成および可変形状鏡６０の構成では、板１８と支持構造体１４との間に位置決めされた第２の弾性要素５２を有することが可能である。例えば、板１８は、有利には１２０°間隔で位置決めされた複数の弾性要素（例えば、各アクチュエータの周りの３つ弾性要素）により支持構造体１４に結合することができる。

図７は、本発明による可変形状鏡７０の第７の実施形態を概略的に表している。可変形状鏡７０は、図５に示す可変形状鏡５０と同じ要素を備えるが、板１８が、アクチュエータ１５と可変膜１１との間の軸方向荷重のみを伝達するようにかつ板１８に対する可変膜１１の第１の平面内での自由な変位を可能にするように構成されたカプラ３１を介して背面１２に結合されることにより、可変形状鏡５０と区別される。図３に表す可変形状鏡３０について先に説明したように、カプラ３１は、例えば、連結ロッドとも呼ばれる、長手方向の金属部品とすることができ、有利には非常に低い膨張係数を有する。カプラ３１は、チタン、ステンレス鋼、または鉄６４％とニッケル３６％の合金で作ることができる。カプラ３１は、寄生モーメントをフィルタリングする曲げ可撓性を生み出すことを可能にする横断面の減少部を有することができる。

先述のように、可変形状鏡７０は、単一のカプラ３１を備えた状態で概略的に表されている。本発明はまた、板１８と可変膜１１との間に均等または不均等に分配配置された２個、３個、またはより一般には複数のカプラ３１を備える可変形状鏡に適用される。

図８は、本発明による可変形状鏡８０の第８の実施形態を概略的に表している。可変形状鏡８０は、図７に示す可変形状鏡７０と同じ要素を備えるが、可変形状鏡８０が、板１８とアクチュエータ１５の第２の端部１７との間に位置決めされた弾性要素２２を備えることにより、可変形状鏡７０と区別される。この構成は、アクチュエータ１５の第２の端部１７の変位を抑制すること、ひいてはアクチュエータ１５が軸線Ｚ上に軸方向荷重を加えたときの可変膜１１の変形の著しく高い精度を得ることを可能にする。

図９は、本発明による可変形状鏡９０の第９の実施形態を概略的に表している。可変形状鏡９０は、図７に示す可変形状鏡７０と同じ要素を備えるが、可変形状鏡９０が可変膜１１を支持構造体１４に結合する埋め込み脚部９１を備え、かつ板１８が埋め込み脚部９１内に固定された端部を有することにより、可変形状鏡７０と区別される。埋め込み脚部９１は、可変膜１１を支持構造体１４に結合する。埋め込み脚部９１は中央に位置することができる。この場合、可変膜は、可変膜の中心が埋め込み脚部に結合される。例えば、埋め込み脚部９１は、可変膜を適所に保持するために可変膜が接着接合されるリングを備えることができる。本発明による可変形状鏡はまた、例えば鏡の周縁に位置決めされた、複数の埋め込み脚部（例えば１２０°間隔で位置決めされた３つの埋め込み脚部）を備えることができる。この場合、可変膜を、埋め込み脚部の周縁域において埋め込み脚部に結合するか、または鏡の中間径部に結合することもできる。

板１８が埋め込み脚部９１内に固定された端部を有することにより、特に発射中に板１８に加わる応力を低減することが可能となる。

図１０は、本発明による可変形状鏡１００の第１０の実施形態を概略的に表している。可変形状鏡１００は、図１に示す可変形状鏡１０と同じ要素を備えるが、図９に示す実施形態において先に説明したように、板１８が埋め込み脚部９１内に固定された端部を有することにより、可変形状鏡１０と区別される。

埋め込み脚部９１内に固定された端部を有する板１８の変形例を上に示した全ての実施形態に適用できることに留意するべきである。

より一般には、本発明の範囲から逸脱することなく、先に示した実施形態の各々に示した全ての特徴を組み合わせることができる。

図１１は、本発明による可変形状鏡１１０の第１１の実施形態を概略的に表している。可変形状鏡１１０は、図９に示す可変形状鏡９０と同じ要素を備えるが、アクチュエータ１５が、アクチュエータの第２の端部１７に位置決めされた、第２の平面に実質的に平行な第３の平面内で自由に平行移動しかつ自由に回転するヘッド９２を備え、ならびにヘッド９２が、アクチュエータ１５の第２の端部１７の変位を抑制するために、少なくとも１つの弾性要素５２により支持構造体１４に結合されることにより、可変形状鏡９０と区別される。ヘッド９２は、自由に回転および平行移動するとともにアクチュエータ１５の軸線上の一軸方向荷重にしかさらされないので、浮動すると言える。ヘッド９２は、アクチュエータ１５の第２の端部１７の変位を一定の係数で分割することを可能にする。

単一の浮動ヘッドが図１１に表されているが、本発明はまた、複数の浮動ヘッド（アクチュエータ毎に最大で１つの浮動ヘッド）を備える可変形状鏡に適用される。

浮動ヘッドを備えた実施形態を既に示した他の全ての実施形態と組み合わせることができることに留意することができる。とはいえ、アクチュエータ１５と板１８との間または板１８と支持構造体１４との間の弾性要素に関しては、アクチュエータ１５の第２の端部１７の変位が１つまたは複数の弾性要素により抑制されるので、浮動ヘッド９２は必要ない。

有利には、アクチュエータ１５が軸方向荷重をかけたときの板１８の変形を促進するために、板１８を柔軟にする目的で、板１８を中空状に形成することができる。したがって、各アクチュエータ１５が供給しなければならない荷重を増加させずに板１８の良好な変形を得ることが可能である。その上、板１８を中空状に形成することにより、可変形状鏡の重量が僅かに削減される。

図１２は、複数のアクチュエータを備える本発明による可変形状鏡１２０の第１２の実施形態を概略的に表している。可変形状鏡１２０は、先の図に提示された可変形状鏡と同じ要素を備える。実際には、本発明はまた、各々が第１の端部と第２の端部とを有する複数のアクチュエータであって、第１の端部が支持構造体に固定され、可変膜を局所的に変形させるために、第１の軸線Ｚ上において背面に軸方向荷重をかけるように第２の端部を第１の平面に実質的に垂直な第１の軸線上における第１の端部に対して変位させることができる、アクチュエータを備える可変形状鏡にも関する。アクチュエータは、支持構造体上に均等または不均等に分配配置することができ、かつアクチュエータの数は一般に、可変膜の寸法の関数として定められる。

１０可変形状鏡
１１可変膜
１２背面
１３第１の平面
１４支持構造体
１５アクチュエータ
１６第１の端部
１７第２の端部
１８板
１９第２の平面
２０可変形状鏡
２１弾性要素
３０可変形状鏡
３１カプラ
４０可変形状鏡
５０可変形状鏡
５１弾性要素
６０可変形状鏡
７０可変形状鏡
８０可変形状鏡
９０可変形状鏡
９１埋め込み脚部
９２ヘッド
１００可変形状鏡
１１０可変形状鏡
１２０可変形状鏡
Ｚ第１の軸線

Claims

静止時に第１の平面（１３）内に延びるとともに、反射する前面と前記前面とは反対側の背面（１２）とを有する可変膜（１１）と、
支持構造体（１４）と、
第１の端部（１６）と第２の端部（１７）とを有するアクチュエータ（１５）であって、前記第１の端部（１６）が前記支持構造体（１４）に固定され、前記可変膜（１１）を局所的に変形させるために、第１の軸線（Ｚ）上における軸方向荷重を前記背面（１２）にまっすぐにかけるように前記第２の端部（１７）を前記第１の平面（１３）に実質的に垂直な前記第１の軸線（Ｚ）上で前記第１の端部（１６）に対して変位させることができる、前記アクチュエータ（１５）とを備える可変形状鏡であって、
前記可変形状鏡が、前記第１の平面（１３）に実質的に平行な第２の平面（１９）において実質的に平坦である板（１８）であって、前記アクチュエータ（１５）と前記可変膜（１１）との間に位置決めされ、前記背面（１２）に結合され、かつ前記アクチュエータ（１５）が前記軸方向荷重をかけたときに変形させることが可能である、板（１８）を備えることと、前記板（１８）が、前記第２の平面（１９）において前記鏡（１０）に加わる荷重を担うために前記第２の平面（１９）において剛性であり、アクチュエータの第２の端部は、前記板に軸方向荷重をかけるように構成されていることとを特徴とする、可変形状鏡（１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１１０、１２０）。
前記板（１８）と前記可変膜（１１）との間に位置決めされた弾性要素（２１）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の可変形状鏡（１０、２０、５０、６０、１００、１２０）。
前記板（１８）が、前記アクチュエータ（１５）と前記可変膜（１１）との間の軸方向荷重のみを伝達するようにかつ前記板（１８）に対する前記可変膜（１１）の前記第１の平面（１３）内での自由な変位を可能にするように構成されたカプラ（３１）を介して前記背面（１２）に結合されることを特徴とする、請求項１または２に記載の可変形状鏡（３０、４０、７０、８０、９０、１１０）。
前記板（１８）と前記アクチュエータ（１５）の前記第２の端部（１７）との間に位置決めされた弾性要素（２２）を備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の可変形状鏡（２０、４０、６０、８０、１００）。
前記板（１８）と前記支持構造体（１４）との間に位置決めされた弾性要素（５１）を備えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の可変形状鏡（５０、６０、７０、８０、９０）。
前記アクチュエータ（１５）が、前記アクチュエータ（１５）の前記第２の端部（１７）に位置決めされた、前記第２の平面（１９）に実質的に平行な第３の平面内で自由に平行移動しかつ自由に回転するヘッド（９２）を備えることと、前記ヘッド（９２）が、前記アクチュエータ（１５）の前記第２の端部（１７）の前記変位を抑制するために、少なくとも１つの弾性要素（５２）により前記支持構造体（１４）に結合されることとを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の可変形状鏡（１１０）。
前記可変膜（１１）を前記支持構造体（１４）に結合する埋め込み脚部（９１）を備えることと、前記板（１８）が、前記埋め込み脚部（９１）内に固定された端部を有することとを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の可変形状鏡（９０、１００、１１０）。
前記アクチュエータ（１５）が前記軸方向荷重をかけたときの前記板（１８）の変形を促進するために前記板（１８）が中空状に形成されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の可変形状鏡（１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１１０、１２０）。
各々が第１の端部と第２の端部とを有する複数のアクチュエータであって、前記第１の端部が前記支持構造体に固定され、前記可変膜を局所的に変形させるために、第１の軸線上において前記背面に軸方向荷重をかけるように前記第２の端部を前記第１の平面に実質的に垂直な前記第１の軸線上における前記第１の端部に対して変位させることができる、前記アクチュエータを備えることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の可変形状鏡（１２０）。