JP7200372B2 - 超高反射器その他の光学デバイス上での前面コーティング操作によるコーティング応力の軽減 - Google Patents

Description

本開示は、一般に、光学デバイスに関する。より具体的には、本開示は、超高反射器その他の光学デバイス上での前面コーティング操作によるコーティング応力の軽減に関する。

種々のタイプのシステムが、厚い光学コーティングを有するミラーその他の光学デバイスを使用する。例えば、高エネルギーレーザ（HEL）システムが、高エネルギービームがどこに向けられるかを制御するために、ビームディレクタとして厚い反射コーティングを有するミラーをしばしば使用する。別の例として、種々の光学フィルターが、反射目的又は反射防止目的のために、厚い光学コーティングを利用する。厚い光学コーティングを有する他のタイプの光学デバイスには、紫外線リソグラフィコンデンサミラー、反射レーザスキャナミラー、大気外反射光学系、及び可視光線のために低散乱が必要とされるシステムが含まれる。残念ながら、ミラーその他の光学デバイスに適用される厚いコーティングは、典型的には、光学デバイス内に大量の応力を生じさせてしまう。その結果、厚いコーティングが施された後に、大型のミラーその他の光学デバイスが曲がったり、反ったりすることが一般的であり、これは、しばしば、極めて望ましくない。例えば、ミラーの曲げ又は反りは、ミラーから反射される光信号の波面を破壊する可能性がある。

本開示は、超高反射器その他の光学デバイス上での表面コーティングの操作によるコーティング応力の軽減を提供する。

第１の実施形態では、装置が、基板と、基板上の第１材料層と、第１材料層上の光学コーティングを含む第２材料層とを含む光学デバイスを含む。第１材料層は、第２材料層によって生成される光学デバイス内の第２応力に対抗する、光学デバイス内の第１応力を生成する。

第２の実施形態では、システムが、少なくとも１つの光ビームを受信し、処理するように構成された複数の光学デバイスを含む。光学デバイスのうちの少なくとも１つのそれぞれは、基板と、基板上の第１材料層と、第１材料層上の光学コーティングを含む第２材料層とを含む。第１材料層は、第２材料層によって生成される光学デバイス内の第２応力に対抗する光学デバイス内の第１応力を生成する。

第３の実施形態では、方法が、光学デバイスの基板上に第１材料層を形成することを含む。本方法はまた、第１材料層の上に光学コーティングを含む第２材料層を形成することを含む。第１材料層は、第２材料層によって生成される光学デバイス内の第２応力に対抗する、光学デバイス内の第１応力を生成する。

他の技術的特徴は、以下の図面、発明の詳細な説明及び特許請求の範囲から当業者には容易に明らかとなり得る。

本開示をより完全に理解するために、添付の図面と併せて、以下の説明を参照する。

本開示に従った前面コーティング操作によるコーティング応力の軽減を図った光学デバイスの一例を示す。 本開示に従った前面コーティング操作によるコーティング応力の軽減を図った光学デバイスの一例を示す。 本開示に従った前面コーティング操作によるコーティング応力の軽減を図った光学デバイスを使用するシステムの例を示す。 本開示に従った前面コーティング操作によるコーティング応力の軽減を図った光学デバイスを使用するシステムの例を示す。 本開示に従った光学デバイス上での表面コーティング操作によるコーティング応力の緩和方法の例を示す。

以下に説明する図１Ａ乃至図４、及び本特許明細書において本発明の原理を説明するために使用される様々な実施形態は、例示のためのものに過ぎず、本発明の範囲を制限するために決して解釈されるべきではない。当業者であれば、本発明の原理は、任意のタイプの適切に配置された装置又はシステムで実施することができることを理解するであろう。

上述のように、種々のシステムが、厚い光学コーティングを有するミラーその他の光学デバイスを使用する。しかしながら、ミラーその他の光学デバイスに適用される厚いコーティングは、光学デバイス内に多量の応力を生じさせる可能性がある。その結果、大きなミラーその他の光学デバイスが屈曲したり、歪曲したりすることが一般的であり、これはしばしば極めて望ましくない。この問題に対処するために、従来の１つのアプローチでは、光学デバイスを所望の形態に曲げ戻す又は反り戻すために、背面コーティングが光学デバイスに適用される。しかしながら、多くの光学デバイスでは、裏面補償はオプションにはならない。例えば、裏面コーティングは、非対称の前面及び裏面を有する光学デバイスと共に使用することができないことが多い。また、複雑なコーティングを使用する、又は不均一な厚さを有する光学デバイスは、しばしば、裏面補償のための良好な候補ではない。裏面補償が使用できない場合、光学デバイスは、しばしば、それらの光学コーティングによって誘発される応力を補償するために切断される。しかしながら、これは、典型的には、光学素子上に光学コーティングを均一に塗布することを必要とするので、このアプローチは、非均一コーティングを有する光学素子では使用できない。さらに、このアプローチは、依然として大きな波面誤差及び劣った光学的品質をもたらす可能性があり、必要以上に大きな光学デバイスを形成する必要がある（これはコスト及び製造時間を増加させる）。

本開示は、超高反射器その他の光学デバイス上での表面コーティング操作によるコーティング応力軽減のための種々の技術を記載する。以下により詳細に説明するように、光学デバイスは、光学デバイス内に第１応力を生成する材料の１つ以上の層（１つ以上の厚い光学コーティングなど）を含む。アドレスを指定しない場合、この第１応力は、光学デバイスを曲げたり反らせたりすることがある。従って、光学デバイスは、光学デバイス内に追加の第２応力を意図的に生成する材料の１つ以上の追加の層を組み込む。第２応力は、少なくとも部分的に、光学デバイス内の第１応力を妨害又は補償する。いくつかの実施形態では、材料の１つ以上の追加の層は、１つ以上の厚い光学コーティングによって生成される圧縮応力を補償する引張応力を生成する。しかしながら、他の応力は、光学デバイス内に存在することができる。

このようにして、所望の形状を有する光学デバイスをより効果的に製造することができる。これは、材料の追加の層が、光学デバイス自体内で応力補償を提供し、それが、改善された曲げ耐性又は反り耐性を提供するのを助けるからである。その結果、より少ない波面誤差又は他の光学誤差を有する光学デバイスを製造することができる。また、材料の１つ以上の追加の層を、反射コーティング又は他の厚い光学コーティングが適用される同一の領域又は領域に適用することができる。従って、厚い光学コーティングによって生じる応力を補償するために、別個の裏面補償プロセスの間に別個の裏面コーティングを適用する必要はほとんど又は全くない。さらに、以下に記載する技術は、複雑なコーティング又は不均一な厚さを有する光学デバイスと共に使用することができる。さらに、アルミニウムミラーその他の研磨された金属ミラーは、重量を減らし、開口サイズを大きくしながら、高エネルギーレーザシステムその他のシステムにおいて超高反射器として機能する可能性があるが、これらのタイプのミラーは、特定のHELその他の要件を満たすために適切に研磨することができないことが多い。以下に記載される技術は、研磨されたアルミニウムその他の金属ミラーと共に使用して、完全に機能的な超高反射器を製造することができる。加えて、以下に記載される技術は、光学コーティングによって誘発される応力を補償するためにミラーその他のデバイスが自由に切断されるアプローチと比較して、製造時間を大幅に短縮することを可能にし、これらの技術は、「ゼロ応力」の光学デバイスの製造を可能にすることさえできる。

図１Ａ及び図１Ｂは、本開示による前面コーティング操作によるコーティング応力の軽減を有する例示的な光学デバイス１００を示す。図１Ａ及び１Ｂに示される光学デバイス１００の実施形態は、例示のみを目的としている。他の任意の適切な光学デバイスは、本特許文献に記載されているように、表面コーティングの操作を通してコーティング応力の軽減をサポートすることができる。

図１Ａに示すように、光学デバイス１００は、一般に、反射性の前面１０２及び背面１０４を有するミラーを表し、背面１０４の少なくとも一部は非反射性であってもよい。光学デバイス１００の前面１０２は、放射線を反射するために使用される高精度の表面を表すことができる。実施形態に応じて、光学デバイス１００は、可視光、赤外光又は紫外光のような任意の適切な波長帯域における放射線を反射するように設計することができる。この実施例では、前面１０２は、反射性の凹面を表す。しかしながら、ミラーは、凸反射面、平面反射面又は非球面反射面のような、任意の他の適切な反射面を有することができる。

図１Ａから分かるように、光学デバイス１００の背面１０４は、前面１０２と対称ではない。その結果、光学デバイス１００は、光学デバイス１００の中心から外へテーパがついた不均一な厚さを有する。また、光学デバイス１００の背面１０４に沿って位置づけられたミラーハブ１０６が存在する。ミラーハブ１０６は、一般に、光学デバイス１００を所定の位置に固定するために、支持構造その他の構造にボルト止めその他の方法で固定することができる構造を表す。しかし、光学デバイス１００は、任意の他の適切な方法で支持構造その他の構造に結合することができる。

図１Ｂの光学デバイス１００の拡大部に示されるように、光学デバイス１００は、基板１０８を含む。基板１０８は、一般に、ミラーその他の光学デバイスを形成するために、種々の材料層がその上に堆積又は位置される構造を表す。基板１０８は、任意の適切な材料から形成することができる。いくつかの実施態様において、基板１０８は、アルミニウム、又はアルミニウム６０６１-T６合金のようなアルミニウム合金を使用して形成される。アルミニウム６０６１-T６は、合金要素である亜鉛、クロム及び鉄（並びにマグネシウム及びシリコンなどの要素も含むことができる）と共に、主としてアルミニウムから構成される。しかし、基板１０８は、任意の他の適切な材料から形成することができる。また、基板１０８は、任意の適切な方法で形成することができる。例えば、基板１０８は、キャスティング又は射出成形によって形成することができ、次いで、さらなる加工に付すことができる。さらに、基板１０８は、光学デバイス１００の意図された用途に基づくものなど、任意の適切なサイズ、形状及び寸法を有することができる。

基板１０８の表面１１０は、精密に形成された表面を表すことができる。いくつかの実施態様において、基板１０８の表面１１０は、単一点ダイヤモンド旋削（SPDT）としても知られるダイヤモンド点旋削（DPT）として知られる機械加工技術を用いて平滑化される。DPTプロセスは、高品質の光学デバイスの製造に広く使用されている。このタイプのプロセスの後、基板１０８の表面１１０は、概して平滑であるが、表面１１０は、典型的には、表面粗さの形態のアーチファクトをなおも含む。とりわけ、この表面粗さは、アルミニウム６０６１-T６合金中の亜鉛、クロム、及び鉄合金要素のような、基板１０８中の合金要素の存在によって引き起こされ得る。基板１０８の表面１１０を平滑化するために使用される処理技術に依存して、表面１１０の表面粗さは、表面の特徴が表面１１０の平滑度を約８０オングストローム二乗平均（RMS）により変化させる場合のように、非常に小さくすることができる。表面１１０は、この例では、約８０オングストロームRMSの表面粗さを有すると言われている。

低応力仕上げ層１１２が、基板１０８の表面１１０の上に堆積されるか、又は他の方法で形成される。仕上げ層１１２は、ニッケル-クロム、アモルファスシリコン又はゲルマニウムのような任意の適切な材料から形成することができる。仕上げ層１１２はまた、約０.５μm以下のような任意の適切な厚さを有することができる。しかしながら、仕上げ層１１２は、完成した光学デバイス１００の表面粗さの低減を可能にする任意の他の適切な厚さを有することができ、その厚さは、均一であっても不均一であってもよい。さらに、仕上げ層１１２は、薄膜蒸着技術その他の薄膜技術を用いるなど、任意の適切な方法で形成することができる。仕上げ層１１２は、理想的には、下にある基板１０８の形状にほとんど又は全く応力を生じさせないほど薄いので、ここでは、仕上げ層１１２を「低応力」層と呼ぶ。

仕上げ層１１２は薄膜層を表すことができるため、仕上げ層１１２の外表面１１４は、一般に、基板１０８の表面１１０の輪郭にある程度一致する。かくして、仕上げ層１１２は、基板１０８の表面１１０とほぼ同じ表面粗さ（又はわずかに小さい表面粗さ）を最初に有することができる。表面１１４におけるピークから谷への変動を除去するために、表面１１４は、表面１１４を平滑化するために研磨されるか、又は他の方法で処理され得る。

いくつかの実施態様において、仕上げ層１１２の表面１１４の研磨は、磁気レオロジー仕上げ（MRF）プロセスを用いて実施される。このタイプのプロセスでは、磁気レオロジースラリーが光学表面を研磨するために使用され、そのスラリーは典型的には、水又は他の流体中のいくつかの添加剤、磁性粒子、非磁性研磨剤を含む。スラリーの形状及び剛性は、印加磁場を用いて制御かつ変更することができる。MRFは、仕上げ層１１２の表面１１４に存在する表面粗さを低減するための有効なプロセスである。しかしながら、ここでは、仕上げ層１１２の表面１１４を研磨するために、任意の他の適切なプロセスを使用することができることに留意されたい。例えば、他の実施形態では、研磨パッドを研磨化合物と共に使用して、表面１１４の表面粗さを減少させることができる。特定の実施形態では、仕上げ層１１２の表面１１４の研磨は、仕上げ層１１２から約５００オングストロームの材料RMSを除去することができる（しかし実施した）。もちろん、他の量の材料が、必要に応じて、又は所望により除去することができる。仕上げ層１１２の形成及び処理に関するさらなる詳細は、米国特許第６,９２１,１７７ Ｂ２号（その全体が参照により本明細書に組み込まれている）に見出すことができる。

材料のプレストレス（pre-stress）層１１６が、仕上げ層１１２の表面１１４上に堆積又は別の方法で形成され、光学コーティング層１２０が、プレストレス層１１６の表面１１８上に堆積又は別の方法で形成される。プレストレス層１１６は、一般に、光学デバイス１００内に応力を発生させる高応力層を表し、その応力は、光学デバイス１００内の光学コーティング層１２０によって発生される応力を補償するために使用される。

プレストレス層１１６は、ニッケル-クロム、アモルファスシリコン又はゲルマニウムのような任意の適切な材料から形成することができる。また、プレストレス層１１６は、約５０μm以下のような任意の適切な厚さを有することができる。しかしながら、プレストレス層１１６は、任意の他の適切な厚さを有することができ、厚さは、均一又は不均一であってもよい。さらに、プレストレス層１１６は、蒸着技術その他の堆積技術を使用するなど、任意の適切な方法で形成することができる。仕上げ層１１２とは異なり、プレストレス層１１６は、理想的には、光学デバイス１００内に大量の応力を発生させ、光学デバイス１００内の光学コーティング層１２０によって生じる大量の応力を相殺又は補償するので、ここでは、プレストレス層１１６を「高応力（high-stress）」層と呼ぶ。

光学コーティング層１２０は、一般に、デバイス１００の光学操作を支持する材料の層を表す。例えば、ミラーにおいて、光学コーティング層１２０は、１つ以上の所望の波長又は１つ以上の所望の波長帯の放射線を反射する反射層を表すことができる。他のデバイスでは、光学コーティング層１２０は、反射層又は反射防止層を表すことができる。いくつかの実施形態では、例えば、光学素子１００が高エネルギーレーザとともに使用される場合、光学コーティング層１２０は、多層誘電体膜を表すことができる。光学コーティング層１２０は、プレストレス層１１６上に設けられた薄膜層を表すことができるため、光学コーティング層１２０の表面１２２は、プレストレス層１１６の表面仕上げに匹敵する表面仕上げを有する（これは、仕上げ層１１２の表面仕上げに類似している）。理想的には、表面１２２の表面粗さは、表面１１０の表面粗さよりもかなり小さい。いくつかの実施形態では、表面特徴が、表面１２２の滑らかさを約１０オングストローム～約２５オングストロームRMSによって変化させる場合のように、表面１２２の表面粗さは極めて小さくすることができる。とりわけ、この程度の平滑性は、光学デバイス１００が約３ミクロン未満の波長（可視光線など）の放射線と共に使用される場合に有用であり得る。

光学コーティング層１２０は、任意の適切な材料から形成することができる。いくつかの実施形態では、ミラーの光学コーティング層１２０は、広帯域高反射器（BBHR）多層誘電体膜を表すことができる。また、光学コーティング層１２０は、約５０μm以下のような任意の適切な厚さを有することができる。しかし、光学コーティング層１２０は、任意の他の適切な厚さを有することができ、厚さは、均一又は不均一であってもよい。さらに、光学コーティング層１２０は、イオンビームスパッタリング技術又は電子ビーム蒸着技術（イオンアシストコーティング技術の有無を問わない）など、任意の適切な方法で形成することができる。

特定の光学コーティング層１２０が、光学デバイス１００内に多量の応力を発生させることがある。プレストレス層１１６及び光学コーティング層１２０は両方とも高ストレス層であるが、層１１６又は１２０によって生成されるストレスは互いに打ち消し合う。その結果、プレストレス層１１６は、一方向に光学デバイス１００を歪曲（warp）又は屈曲（bend）させようと試みることができ、光学コーティング層１２０は、実質的に反対方向に光学デバイス１００を歪曲又は屈曲させようと試みることができる。このため、プレストレス層１１６の応力は、光学コーティング層１２０の応力を基板１０８から「分離」するために効果的に使用され、それによって、基板１０８の表面上の総応力を最小化する。

この特定の例として、イオンビームスパッタリングその他の技術を用いて生成された１つ以上の特定の光学コーティング層１２０が、光学デバイス１００内に大量の圧縮応力を発生させることがある。この圧縮応力は、一般に、光学コーティング層１２０の長さを減少させようとする応力を表す。この圧縮応力は、それ自体、光学デバイス１００の（両外）縁を内方に引っ張ることによって、光学デバイス１００を屈曲させたり、歪曲させたりすることがある。光学デバイス１００の屈曲又は歪曲は、ミラー品質の低下、波面誤差又は他の問題を生じさせる可能性がある。対照的に、プレストレス層１１６は、光学デバイス１００内に大量の引張応力を発生させることができる。この引張応力は、一般に、プレストレス層１１６の長さを増加させようとする応力を表す。この引張応力は、それ自体、光学デバイス１００の（両）外縁を外方に押し出すことによって、光学デバイス１００を屈曲させたり、歪曲させたりすることができる。かくして、プレストレス層１１６の引張応力は、光学コーティング層１２０の圧縮応力に対抗することができ、光学デバイス１００が所望の形状を達成することを可能にする。しかしながら、光学コーティング層１２０は、圧縮応力を被る必要がなく、プレストレス層１１６は、引張応力を被る必要がないことに留意されたい。例えば、他の実施形態では、層１１６及び１２０によって生じる応力を逆転させることができる。一般に、プレストレス層１１６は、光学コーティング層１２０によって生成される第１の応力に対抗する第２の応力を生成する。

いくつかの実施形態では、先ずプレストレス層１１６が形成され、基板１０８の実際の変形を引き起こし、次に光学コーティング層１２０が形成され、基板１０８の実質的に反対方向の実際の変形を引き起こすことがあることに留意されたい。他の実施形態では、プレストレス層１１６及び光学コーティング層１２０は、ほぼ同時刻に形成され得るので、基板１０８の実際の変形がほとんど又は全くない場合がある。換言すれば、光学デバイス１００の種々の層は、基板１０８の実際の変形を妨げることができ、妨げることができない。光学素子１００が所望の形状を得るように、プレストレス層１１６が、光学コーティング層１２０によって生成される応力に対抗する限り、基板１０８の実際の変形が生じるか否かは重要ではない。

図１Ａ及び図１Ｂには示されていないが、光学コーティング層１２０上に薄いオーバーコートを形成することができる。薄いオーバーコートは、光学コーティング層１２０を保護するため、選択された波長帯域内の光学デバイス１００の反射率を増加するため、或いは別の所望の機能を実行するために使用することができる。例えば、光学デバイス１００が可視及び近赤外波長帯の放射線と共に使用されるように意図されている場合、厚さ約１,５００オングストロームのRMSを有する二酸化ケイ素のオーバーコートを光学コーティング層１２０の上に適用することができる。しかしながら、種々の他の材料をオーバーコートに使用することができ、これは、光学デバイス１００についての意図された用途に（少なくとも部分的に）依存し得る。他の例示的なオーバーコート材料としては、酸化シリコン（SiO）、酸化タンタル（Ta₂O₅）、酸化チタン（TiO₂）、及び酸化ジルコニウム（ZrO₂）が挙げられる。オーバーコートは、薄膜堆積技術その他の堆積技術を使用するなど、任意の適切な方法で形成することができる。

なお、層１１２、１１６、１２０は、光学素子１００の前面１０２に完全に形成することができ、層１１２、１１６、１２０は、光学素子１００の外縁部に巻きつき、光学素子１００の裏面１０４の一部又は全部を覆うことができる。また、層１１２、１１６、及び１２０は、光学素子１００の前面１０２を完全に覆うことができること、又は層１１２、１１６、及び１２０は、光学素子１００の前面１０２の一部（すべてではない）を覆うことができることに留意されたい。さらに、層１１２、１１６、及び１２０は、適用又は形成のすべての領域において実質的に一定の厚さを有することができる（しかし、必要ではない）ことに注意されたい。各層１１２、１１６、及び１２０の厚さは、一定であってもよく、又は必要に応じて、又は所望により変化してもよい。さらに、この実施例の基板１０８は、不均一な厚さを有するが、基板１０８は、必要又は所望に応じて、均一な厚さを有することができることに留意されたい。

プレストレス層１１６を光学デバイス１００自体に組み込むことによって、光学コーティング層１２０によって基板１０８上に誘起されるストレスを低減又は実質的に除去することができる。従って、光学デバイス１００は、より容易に所望の形状を有するように製造することができ、波面誤差又は他の光学誤差を低減することができる。また、光学デバイス１００の屈曲又は歪曲を補償するために別個の裏面補償プロセスが必要とされず、単一のDPT動作のみが必要とされ得る。さらに、DPT操作及び種々の薄膜層の形成は、公知の装置及び技術を用いて行うことができ、これは、光学デバイス１００の製造に関連するコストを簡略化し、低減するのに役立つ。さらに、光学デバイス１００は、基板１０８として研磨された金属構造を容易に組み込むことができ、軽量化及び開口サイズの増大が望まれるHELシステムその他のシステムにおいて光学デバイス１００の使用を可能にする。さらに、光学デバイス１００は、従来のアプローチと比較して、はるかに迅速かつ容易に製造することができる。

いくつかの実施形態では、多層薄膜光学コーティング層１２０によってアルミニウム基板１０８上に誘起される応力を１００MPa未満に低減するように、プレストレス層１１６を設計することができる。アルミニウム基板１０８にかかるこのレベルの応力は、アルミニウム基板１０８の屈曲又は歪曲をほとんど生じさせず、所望の形状を有する光学デバイス１００が達成されることを確実にするのに役立つ。しかしながら、プレストレス層１１６は、任意の適切な光学コーティング層１２０によって任意の適切な基板１０８上に誘起される応力を任意の他の適切なレベル（１００MPaより上及び下の応力を含む）まで低減するように設計することができることに留意されたい。

いくつかの実施態様において、層１１２を省略し、高度に研磨された基板１０８又は比較的低い表面粗さを有する他の基板１０８上に、単に層１１６及び１２０を使用することが可能であることに留意されたい。また、他の実施形態では、層１１２を省略し、層１１６及び１２０を基板１０８上で使用することが可能であり、層１１６は、仕上げ層及びプレストレス層の両方として機能する。これらの他の実施形態では、層１１６は、層１２０の応力に対抗する所望の応力を有するように（薄膜蒸着技術その他の技術を介して）形成することができ、層１１６は、その表面粗さを低減するために（MRFプロセスその他の研磨技術を介して）研磨することができる。

光学デバイス１００をどのようにして形成するかの特定の例として、プラズマイオン支援蒸着（PIAD）プロセスを、LEYBOLD APS １１０４電子ビーム（e-ビーム）蒸発器チャンバその他のチャンバ内で実施して、基板１０８（層１１２を有する又は有しない）の上にアモルファスシリコン層（層１１６）を蒸着させることができる。このようなチャンバは、少なくとも１つの電子ビームガン及び先進型プラズマ源（APS）を備えることができる。シリコンスラグが、電子ビーム銃を用いて蒸着され得、次いで、シリコンコーティングが、APSからのプラズマを用いて基板１０８上に堆積され得る。シリコンコーティングの応力は、APSのバイアス電圧を調整することによって制御することができるので、APSは、コーティング応力を操作するために適切なバイアス電圧を用いて動作させることができる。しかしながら、光学コーティング層１２０によって生成される応力を補償するのを助けるために、少なくともプレストレス層１１６を形成するために、他の技術を使用することができることに留意されたい。例えば、イオンビームスパッタリング、電子ビーム蒸発、又は他の形成技術に使用される他のチャンバを使用することができ、そこでは、バイアス電圧、又はチャンバ又は技術の他の（複数の）特性を制御して、材料の層において適切なレベルの応力を達成することができる。

図１Ａ、１Ｂは、表面コーティング操作によるコーティング応力の軽減を有する光学デバイス１００の一例を示すが、図１Ａ、１Ｂには様々な変更を加えることができる。例えば、光学デバイス１００は、必要に応じて、又は所望により、任意の数の層１１２、１１６、及び１２０を含むことができる。また、少なくとも１つのプレストレス層１１６を、光学デバイスの基板上の応力を低減するために、任意の他の適切な光学デバイス内の少なくとも１つの光学コーティング層１２０と共に使用することができる。さらに、種々の他の材料層を光学デバイス１００内で使用することができる。特定の例として、いくつかの実施態様において、アモルファスシリコンの層を基板１０８の上に形成することができ、仕上げ層１１２をアモルファスシリコンの層の上に形成することができる。

図２及び図３は、本開示に従った前面コーティング操作によるコーティング応力の軽減を有する光学デバイスを使用するシステムの例を示す。特に、図２は、例示的な高エネルギーレーザシステム２００を示し、図３は、例示的な撮像システム３００を示す。これらのシステム２００及び３００の各々は、光ビーム（修正又は未修正の形態で）を受け取り、提供するように構成された少なくとも１つの光学デバイスを含み、この場合、コーティング応力の軽減が、前面コーティング操作を介して少なくとも１つの光学デバイスにおいて生じた。

図２に示すように、システム２００は、一般に高エネルギーレーザビーム２０４を生成するように動作する高エネルギーレーザ２０２を含む。レーザ２０２は、少なくとも１つの高エネルギービームを生成するように構成された任意の好適な光源を表す。いくつかの実施形態では、例えば、レーザ２０２は、米国特許出願公開２０１７/０３５３００５号及び２０１８/００１３２５６号（いずれもその全体が参照により本明細書に組み込まれている）に記載されているように実装することができる。しかしながら、システム２００では、他の任意の適切な高エネルギーレーザ２０２（現在公知であるか又は後に開発される）を使用することができる。ビーム２０４は、任意の適切な断面サイズ及びパワーレベルを有する任意の適切な高エネルギーレーザビームを表す。一般に、「高エネルギー」ビームは、約１０キロワット以上の電力を有するビームを表すことができる。

ミラー２０６は、ビーム２０４を２次ミラー２０８に向け、２次ミラー２０８はビーム２０４を拡大し、拡大されたビームを主ミラー２１０へと向ける。主ミラー２１０は、拡大ビームを反射し、拡大ビームはシステム２００を高エネルギー出力ビーム２１２として出射する（典型的には、開口部又は出力ウィンドウ２１４を介して）。主ミラー２１０及び２次ミラー２０８は、それぞれ、ミラー２０８及び２１０をハウジング２２０内に取り付ける支持構造２１６及び２１８に結合することができる。

いくつかの実施形態では、ミラー２０６、２０８、及び２１０のうちの１つ以上は、少なくとも１つの光学コーティング層１２０によって誘発される応力を少なくとも部分的に補償する少なくとも１つのプレストレス層１１６を含むように製造することができる。特定の実施形態では、主ミラー２１０は、少なくとも１つの光学コーティング層１２０によって誘発される応力を少なくとも部分的に補償する少なくとも１つのプレストレス層１１６を含むように製造される一方、他のミラー２０６及び２０８はそうではない。少なくとも主ミラー２１０は、少なくとも１つのプレストレス層１１６を含むことができる。なぜなら、それは、より大きなミラーであり、従って、屈曲又は歪曲によって生じる波面誤差又は他の光学的誤差を受けやすいからである。

この例では、主ミラー２１０は、実質的に平坦な前面を有するように示されている。しかしながら、図２のシステム２００では、主ミラー２１０のための他の形態を使用することができる。例えば、一次ミラー２１０は、凸状、凹状、又は非球面反射性の前面を有することができ、特定の用途の特定のニーズに（少なくとも部分的に）依存することができる。

レーザシステム２００は、多くの商業的及び防衛関連用途に使用することができる。例えば、レーザシステム２００は、ドリル操作、マイニング操作又はコアリング操作のような商業的なマイニング用途での使用を見出すことができる。例えば、高エネルギーレーザ２０２を使用して、ドリルビットを用いた土床掘削の前に、土床を軟化又は弱化することができる。これは、ドリルビットの変更をより少なくし、ドリルビットの寿命と信頼性を延ばすことができる。ここで、レーザシステム２００の出力ウィンドウ２１４からの高エネルギーレーザビーム２１２の自由空間伝搬が使用され得、従来のファイバレーザと比較して、より深い距離への浸透を可能にする。

レーザシステム２００はまた、遠隔レーザ溶接、切断、穴あけ、又は工業的又は他の自動化設定などの熱処理動作における使用を見出すことができる。高出力かつ高ビーム品質のシステム２００を使用することにより、熱影響域を最小限にし、垂直又は他の切断線を維持しながら、システム２００からより大きな動作距離でより厚い材料の処理を行うことができる。とりわけ、これは、溶接又は切断部位への近接が困難又は危険である場合、溶接又は切断作業を支援するのに役立つ。また、それは、システム２００、及びおそらくは人間のオペレータを、煙、破片、又は他の有害な材料から保護するのにも役立つ。

レーザシステム２００は、さらに、建設及び解体作業における使用を見出すことができる。例示的な作業には、金属のリサーフェシング（resurfacing）又は脱ラギング（deslagging）、塗料除去、及び工業的解体作業を含むことができる。高エネルギーレーザ２０２は、従来の動作と比較して、材料をはるかに迅速かつ安全に除去するために使用することができる。この機能の特定の例として、高エネルギーレーザ２０２を使用して、原子炉その他の危険な構造物の解体を支援することができる。ここで、高エネルギーレーザ２０２は、汚染されたコンクリート、原子力格納容器、原子炉等の汚染された構造物を長距離から切断するために使用することができる。これは、ウォータージェット切断、又は汚染水のような有害廃棄物を発生させる他の技術の使用を回避するのに役立つ。また、人間のオペレータは、汚染された構造物が解体されることから遠く離れた場所にいることができるため、安全性も向上する。

多くの追加アプリケーションが可能である。例えば、レーザシステム２００は、高出力レーザビーム２１２が再充電されるべき遠隔デバイスの光起電性（太陽）セルを標的とするパワービーム用途に使用することができる。レーザシステム２００はまた、危険物質（HAZMAT）用途にも使用することができ、ここで、レーザ２０２は、危険物質を加熱し、より有害でない又は有害でない材料に分解するために使用される。上記の応用の全ては、例示のためのものに過ぎず、本開示をシステム２００の特定の適用に限定するものではないことに留意されたい。

図３に示すように、入射光ビーム３０２が、テレスコープその他の構造を介して、第１ミラー３０４で、受け取ることができる。第１ミラー３０４は、光ビーム３０２を集束させ、集束された光ビームを第２ミラー３０６上に再方向（redirect）づける。次いで、第２ミラー３０６は、集束された光ビームを１つ以上の追加の光学デバイス３０８に再方向付けする。追加の光学デバイス３０８は、任意の適切な機能をサポートすることができる。例えば、追加の光学デバイス３０８は、光ビームを異なる部分に分割するために、光ビームをさらに方向転換するための１つ以上のミラーを含むことができる。一般に、システム３００は、少なくとも１つの光ビームを何らかの方法で受け取り、処理するように構成された、任意の適切な焦点光学系構成要素又は無限焦点（afocal）光学系構成要素を含むことができる。ここで、「処理」には、光ビームの再方向付け、光ビームの集束又は拡大、光ビームの分割、光ビームの結合、光ビームの１つ以上の特性の測定、又はビームを何らかの方法で変更又は測定する他の機能が含まれ得る。

レンズ３１０は、最終的に、光ビームの少なくとも一部を検出器３１２上に集束させる。検出器３１２は、カメラ、焦点平面アレイ、光検出器アレイ、又は入力光ビームを感知又は測定するように構成された他の適切な構造を表す。実装に応じて、検出器３１２は、画像プロセッサ３１４に提供される出力を生成することができる。画像プロセッサ３１４は、１つ以上のディスプレイ３１６を介して１人以上のユーザに提示され得る画像を生成するためにデータを処理する。画像プロセッサ３１４は、１つ以上のマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ、特定用途向け集積回路（ASICs）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGAs）又は個別回路などの画像データを処理するように構成された任意の適切な構造を含む。ディスプレイ３１６は、画像を少なくとも１人のユーザに提示するように構成された任意の適切な構造を含む。ハウジングが、図３に示す構成要素の一部又は全部を取り囲むか、又は他の方法で含むことができる。

いくつかの実施形態では、ミラー３０４及び３０６、追加の光学デバイス３０８、及びレンズ３１０のうちの１つ以上は、少なくとも１つの光学コーティング層１２０によって誘発される応力を少なくとも部分的に補償する少なくとも１つのプレストレス層１１６を含むように製造することができる。特定の実施形態では、ミラー３０４は、少なくとも１つの光学コーティング層１２０によって誘発される応力を少なくとも部分的に補償する少なくとも１つのプレストレス層１１６を含むように製造されるが、他方、他方のミラー３０６、追加の光学デバイス３０８、及びレンズ３１０はそうではない。ミラー３０４は、少なくとも１つのプレストレス層１１６を含むことができる。なぜなら、それは、より大きなミラーであり、従って、屈曲又は歪曲によって生じる波面誤差又は他の光学的誤差を受けやすいからである。

この例では、ミラー３０４は、ミラー３０６上へのビーム３０２の集束を支持するために、凹状の前面を有する。しかし、図３のシステム３００では、ミラー３０４のための他の形態を使用することができる。例えば、ミラー３０４は、特定の用途の特定のニーズに（少なくとも部分的に）依存し得る、平面、凸、ほぼ凹、又は非球面反射面を有することができる。

撮像システム３００は、多数の商業用及び防衛関連用途に使用することができる。例えば、撮像システム３００は、コヒーレントレーザ検出及び測距（LADAR）システムのような長距離撮像用途での使用を見出すことができる。これらのタイプのシステムでは、レーザビームその他の電磁エネルギーを特定のターゲット又は特定の領域に向けることができる。ターゲット又は領域から反射されたエネルギーは、撮像システム３００によって受信され、処理されて、ターゲット又は領域の画像を生成することができる。上述の応用は、例示のみを目的としており、システム３００の特定の応用にこの開示を限定しないことに留意されたい。

図２及び３は、表面コーティング操作によるコーティング応力の軽減を有する光学デバイスを使用するシステム２００及び３００の例を示すが、図２及び３には、様々な変更を加えることができる。例えば、図２及び３に示すシステム２００及び３００は、図示及び説明を容易にするために簡略化されており、表面コーティング操作によるコーティング応力の軽減を有する光学デバイスを使用する例示的な方法を示すことができる。多数のレーザシステム、撮像システム、及び大型ミラーその他の光学デバイスを使用することができる他のシステムが存在する。これらのシステムのいずれも、表面コーティング操作によるコーティング応力の軽減を有する少なくとも１つの光学デバイスを含むことができる。

図４は、本開示に従った光学デバイス上の表面コーティング操作によるコーティング応力軽減のための例示的な方法４００を示す。説明を容易にするために、方法４００は、図２又は３のシステム２００又は３００で使用することができる図１Ａ及び１Ｂの光学デバイス１００を形成するために使用されるものとして説明される。しかしながら、方法４００は、任意の他の適切な光学デバイスを形成するために使用することができ、光学デバイスは、任意の他の適切なシステムにおいて使用することができる。

図４に示すように、光学デバイス用の基板が、ステップ４０２で得られる。これは、例えば、大型ミラーその他の光学デバイスを形成するために使用される基板１０８を製造又は他の方法で得ることを含み得る。上述のように、基板１０８は、アルミニウム又はアルミニウム合金のような任意の適切な材料から形成することができる。基板は、ステップ４０４において、基板の外面を実質的に平滑化するように処理される。これは、例えば、基板１０８の外表面１１０を平滑化するためにDPT技術を用いることを含み得る。上述のように、DPT技術は、非常に効率的であり得るが、基板１０８の表面１１０に表面粗さを残す。

ステップ４０６において、材料のコーティング（ここでは、低応力層と呼ぶ）が、構造に適用される。これは、例えば、基板１０８の表面１１０上に仕上げ層１１２を堆積又は別の方法で形成することを含み得る。仕上げ層１１２は、ニッケル-クロム、アモルファスシリコン、又はゲルマニウムのような任意の適切な材料から形成することができる。仕上げ層１１２はまた、薄膜蒸着技術その他の蒸着技術など、任意の適切な方法で形成することができる。ステップ４０８において、材料のコーティングに対して研磨操作を行う。これは、例えば、仕上げ層１１２の表面１１４を平滑化するために、磁気レオロジー仕上げ（magneto-rheological finishing）プロセスその他の研磨プロセスを実行することを含み得る。理想的には、仕上げ層１１２の表面１１４は、基板１０８の表面１１０と比較して低い表面粗さを得る。

ステップ４１０で、材料のコーティング（ここでは、プレストレス層と呼ぶ）が、構造に適用される。これは、例えば、仕上げ層１１２の表面１１４上にプレストレス層１１６を堆積又は別の方法で形成することを含むことができる。プレストレス層１１６は、ニッケル-クロム、アモルファスシリコン、又はゲルマニウムのような任意の適切な材料から形成することができる。また、プレストレス層１１６は、薄膜蒸着技術その他の蒸着技術など、任意の適切な方法で形成することができる。

ステップ４１２において、材料のコーティング（ここでは、光学コーティング層と称する）が、構造に適用される。これは、例えば、プレストレス層１１６上に光学コーティング層１２０を堆積又は別の方法で形成することを含むことができる。光学コーティング層１２０は、多層誘電体フィルム（広帯域高反射体多層誘電体フィルムのような）のような任意の適切な材料から形成することができる。また、光学コーティング層１２０は、イオンビームスパッタリング技術又は電子ビーム蒸着技術（イオンアシストコーティング技術の有無を問わない）など、任意の適切な方法で形成することができる。

ステップ４１４で、光学デバイスの製造が完了する。これは、例えば、光学コーティング層１２０上に薄い保護オーバーコートを形成することを含むことができる。例示的なオーバーコートは、酸化ケイ素、二酸化ケイ素、酸化タンタル、酸化チタン又は酸化ジルコニウムから形成され得る。これはまた、完成した光学デバイス１００を形成するために、任意の他の所望の操作を実行することを含み得る。

プレストレス層によって誘起される応力は、少なくとも部分的に（そして望ましくは実質的に又は完全に）光コーティング層によって誘起される応力を補償する。上述のように、場合によっては、光学コーティング層１２０は、光学デバイス１００内に大きな圧縮応力を誘発し、プレストレス層１１６は、その圧縮応力を補償するために大きな引張応力を生成する。しかし、他の応力が、層１１６及び１２０によって発生されることがあり得る。理想的には、プレストレス層１１６は、下にある基板１０８が（少なくとも任意の光学的に顕著な程度までの）歪曲又は屈曲を防止するのに十分な補償応力を生成する。

図４は、光学デバイス上の表面コーティング操作によるコーティング応力軽減のための方法４００の一例を示しているが、図４には種々の変更を加えることができる。例えば、一連のステップとして示されているが、図４の様々なステップは、オーバーラップするか、並列に発生するか、又は任意の回数発生することができる。また、ここで、ステップ４０２及び４０４は、基板１０８が研磨された金属基板として作成されていると仮定してもよいことに留意されたい。しかしながら、コーティング応力軽減のために使用される少なくとも１つのプレストレス層を有する光学デバイスを形成するために、任意の他の適切な基板を使用することができる。

この特許明細書を通して使用されている特定の単語及び語句の定義を示すことは有利であろう。用語「含む」及び「有する」並びにそれらの派生語は、限定されないが、包含を意味する。用語「又は」は、「及び／又は」を意味する。「関連する」という用語及びその派生語は、含む、含まれる、相互接続する、含有する、含有される、接続する結合する、通信する、協働する、インターリーブする、近接する、接近する、拘束される、有する、所有する、関係を有するなどの意味を含む。項目の列挙とともに用いる用語「少なくとも１つ」は、列挙された項目の１つ以上の異なる組合せを含み、単に１つの項目だけも意味する。例えば、「A、B、Cの少なくとも１つ」は、A、B、C、A及びB、A及びC、B及びC、並びにA及び B及びCのどれをも意味する。

本願の明細書は、特定の要素、工程又は機能が、クレームの範囲に含まれなければならない必須又は重要な要素であることを意味するものとして解釈されるべきではない。特許された主題の範囲は、許可されたクレームによってのみ定義される。さらに、クレームの何れも、添付されたクレーム又はクレームの要素に関して特許法第１１２条（f）を援用しない。すなわち、機能的クレームの範囲は実施形態及びその均等物に限定されない。クレーム内の用語（ただし、これに限定されない）「機構」、「モジュール」、「装置」、「構成要素」、「要素」、「部材」、「装置」、「機械」、「システム」、「プロセッサ」又は「コントローラ」の使用は、クレーム自体の特徴によってさらに修正又は強化されるように、当業者に知られた構造を指すことが理解され、意図されており、特許法第１１２条（f）を援用することが意図されていない。

本開示は、特定の実施形態及び一般的に関連する方法を記載してきたが、これらの実施形態及び方法の変更及び順列は、当業者には明らかであろう。従って、例示的な実施形態の上述の説明は、本開示を定義したり、制約したりしない。以下の特許請求の範囲によって定義されるように、本開示の精神及び範囲から逸脱することなく、他の変更、置換、及び変更も可能である。

Claims (20)

1. 光学デバイスを含む装置であって：
   前記光学デバイスが、
   基板；
   前記基板上の第１材料層；
   前記第１材料層の上の、光学コーティングを含む第２材料層；及び
   前記基板上に直接形成され前記基板と前記第１材料層との間に配置され、ニッケル-クロム、アモルファスシリコン又はゲルマニウムのうちの１つを含む第３材料層；
   を含み、
   前記第１材料層は、前記第２材料層によって生成される前記光学デバイス内の第２応力に対抗する、前記光学デバイス内の第１応力を生成する、
   ことを特徴とする装置。
2. 請求項１に記載の装置であって：
   前記第１材料層は、ニッケル-クロム、アモルファスシリコン又はゲルマニウムのうちの１つを含む、
   ことを特徴とする装置。
3. 請求項１に記載の装置であって：
   前記第１材料層が５０μm以下の厚さを有し；
   前記第２材料層が５０μm以下の厚さを有する、
   ことを特徴とする装置。
4. 請求項１に記載の装置であって：
   前記基板が、平滑化された外面を有するアルミニウム又はアルミニウム合金基板を含み；
   前記第３材料層が、前記基板の平滑化された前記外面上に配置された、
   ことを特徴とする装置。
5. 請求項４に記載の装置であって：
   前記基板の平滑化された前記外面は、８０オングストロームrmsの表面粗さを有し；
   前記第２材料層の外面は、１０オングストローム～２５オングストロームrmsの表面粗さを有する、
   ことを特徴とする装置。
6. 請求項１に記載の装置であって：
   前記光学デバイスがミラーを含み；かつ
   前記光学コーティングは反射性コーティングを含む、
   ことを特徴とする装置。
7. 請求項６に記載の装置であって：
   前記第１材料層及び前記第２材料層は、前記ミラーの前面及び前記ミラーの後面の一部を覆う、
   ことを特徴とする装置。
8. 請求項１に記載の装置であって：
   前記基板が不均一な厚さを有する、
   ことを特徴とする装置。
9. 請求項１に記載の装置であって：
   前記第２材料層は、前記光学デバイス内に圧縮応力を発生させ；かつ
   前記第１材料層は、光学デバイス内の前記圧縮応力に対抗する引張応力を前記光学デバイス内に発生させる、
   ことを特徴とする装置。
10. 少なくとも１つの光学ビームを受けて処理するように構成された複数の光学デバイスを含むシステムであって：
    前記光学デバイスのうちの少なくとも１つの各々が、
    基板；
    前記基板上の第１材料層；
    前記第１材料層の上の、光学コーティングを含む第２材料層；及び
    前記基板上に直接形成され前記基板と前記第１材料層との間に配置され、ニッケル-クロム、アモルファスシリコン又はゲルマニウムのうちの１つを含む第３材料層；
    を含み、
    前記第１材料層は、前記第２材料層によって生成される前記光学デバイス内の第２応力に対抗する、前記光学デバイス内の第１応力を生成する、
    ことを特徴とするシステム。
11. 請求項１０に記載のシステムであって：
    前記第１材料層は、ニッケル-クロム、アモルファスシリコン又はゲルマニウムのうちの１つを含む、
    ことを特徴とするシステム。
12. 請求項１１に記載のシステムであって：
    前記光学デバイスの前記少なくとも１つの各々において、
    前記第１材料層が５０μm以下の厚さを有し；
    前記第２材料層が５０μm以下の厚さを有する、
    ことを特徴とするシステム。
13. 請求項１０に記載のシステムであって：
    前記光学デバイスの前記少なくとも１つの各々において、
    前記基板が、平滑化された外面を有するアルミニウム又はアルミニウム合金基板を含み；
    前記第３材料層が、前記基板の平滑化された前記外面上に配置された、
    ことを特徴とするシステム。
14. 請求項１３に記載のシステムであって：
    前記光学デバイスの前記少なくとも１つの各々において、
    前記基板の平滑化された前記外面は、８０オングストロームrmsの表面粗さを有し；
    前記第２材料層の外面は、１０オングストローム～２５オングストロームrmsの表面粗さを有する、
    ことを特徴とするシステム。
15. 請求項１０に記載のシステムであって：
    当該システムが、光ビームを生成するように構成された高エネルギーレーザをさらに含み；
    当該光学デバイスは、前記光ビームを拡大し、拡大された光ビームを出力するように構成され；
    当該光学デバイスは、二次ミラー及び主ミラーを含み；
    少なくとも主ミラーは、前記基板と、前記第１材料層と、前記第２材料層と、前記第３材料層とを含む；
    ことを特徴とするシステム。
16. 請求項１０に記載のシステムであって：
    当該システムは、さらに、
    入射光ビームの少なくとも一部を受信し、測定するように構成された検出器；及び
    前記検出器の出力に基づいて１つ以上の画像を生成するように構成された画像プロセッサ；
    を含み、
    前記光学デバイスは、前記入射光ビームの少なくとも一部を前記検出器に方向づけるように構成され；
    前記光学デバイスは、前記入射光ビームを受信し、第２ミラー上に合焦させるように構成された第１ミラーを含み；
    少なくとも前記第１ミラーは、前記基板と、前記第１材料層と、前記第２材料層と、前記第３材料層とを含む、
    ことを特徴とするシステム。
17. 光学デバイスの基板上に直接に、ニッケル-クロム、アモルファスシリコン又はゲルマニウムのうちの１つを含む第３材料層を形成するステップ；
    前記第３材料層上に第１材料層を形成するステップ；
    前記第１材料層の上に、光学コーティングを含む第２材料層を形成するステップ；
    を含む方法であって、
    前記第１材料層は、前記第２材料層によって生成される前記光学デバイス内の第２応力に対抗する、前記光学デバイス内の第１応力を生成する、
    ことを特徴とする方法。
18. 請求項１７に記載の方法であって：
    ダイヤモンドポイントターニング（DPT）プロセスを行うことにより前記基板の外面を平滑化するステップ；
    をさらに含む方法。
19. 請求項１７に記載の方法であって：
    磁気レオロジー仕上げ（MRF）プロセスにより前記第３材料層を研磨するステップ；
    をさらに含み、
    前記第１材料層は、研磨された前記第３材料層の上に形成される、
    ことを特徴とする方法。
20. 請求項１７に記載の方法であって：
    前記第２材料層は、前記光学デバイス内に圧縮応力を発生させ；
    前記第１材料層は、前記光学デバイス内の前記圧縮応力に対抗する引張応力を前記光学デバイス内に発生させる、
    ことを特徴とする方法。

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