TWI509305B - 具有整合式撓性機構之單片光學元件 - Google Patents

Description

具有整合式撓性機構之單片光學元件

本發明是有關於具有整合式撓性機構之單片光學元件。

光學表面圖形係指一真實光學表面形狀從理想表面形狀之偏差。傳統上，在需要具有從理想之低偏差之光學元件之光學系統之中，光學元件是使用撓性安裝座被固持於定位。舉例來說，一光學元件可以使用一黏著劑被結合於安裝座之一撓性部分，其中，撓性機構是由一金屬合金(例如，鎳鐵合金)所成型。此種配置是被設計去降低在光學元件中之應力，其將會發生，倘若光學元件是被直接固定於安裝座。更具體而言，撓性安裝座配置是被使用去降低元件之光學表面之扭曲，由於下面之固定結構之熱或機械變形(例如，當轉移安裝座時)。

然而，撓性安裝座/合金介面配置仍然能夠導致應力於光學元件之中，包括來自於撓性機構對於安裝座之配合中之缺陷的應力、來自於元件於組裝中之微小錯位之應力、來自於被使用去結合光學元件於撓性安裝座之結合材料(例如，環氧樹脂)之固化收縮/不穩定之變形之應力、以及從被使用材料 之不同熱膨脹係數所產生之應力。此外，當安裝具有一緊密圖形公差及高縱橫比之光學元件(例如，鏡子)時，固定應力能夠輕易地超過可容忍程度，因而造成光學元件彎出於被需要對於所預期系統之規格。

本發明是有關於具有整合式撓性機構之單片光學元件。

本發明之各種方面是被概述如下。

一般而言，在一第一方面之中，本發明之主題能夠被具體化於一光學元件之中，其包括一單片體部，該單片體部具有一內體部、至少部份地繞著該內體部延伸之一外體部、以及連接該內體部於該外體部之精確地三個撓性樞紐。該內體部及該外體部之一係定義用於反射、折射或衍射光線之一光學主動部，以及該內體部及該外體部之另一係定義一安裝部。

光學元件之實施能夠包括有下列特徵及/或其他方面之特徵之一或多個。舉例來說，在一些情況之下，該精確地三個撓性樞紐係使該安裝部被安裝於另一部分，而不降低該光學主動部之光學表現。

在一些實施之中，該內體部係為該光學主動部，以及該光學主動部係為一鏡子。

在一些實施之中，該精確地三個撓性樞紐之每一個係相對於該單片體部之幾何中心實質上沿著一切線方向延伸。該精確地三個撓性樞紐之每一個能夠沿著在該切線方向之約30度內之一方向延伸。

在一些實施之中，該內體部具有一圓形之形狀。 在其他實施之中，該內體部具有一非圓形之形狀。

在一些實施之中，每一個撓性樞紐係藉由在該內 體部與該外體部間之一伸長的間隙間隔於一相鄰之撓性樞紐。該等撓性樞紐之至少一個以及至少一該等伸長的間隙可以是拱形的。該等伸長的間隙之至少一個可以具有一弧形長度比該等撓性樞紐之至少一個之一弧形長度長。每一個伸長的間隙可以從該單片體部之一第一表面延伸通過該單片體部之厚度至該單片體部之一相對的第二表面。每一個伸長的間隙可以具有一第一端部及一相對的第二端部，其中，一第一伸長的間隙之該第一端部係重疊一相鄰伸長的間隙之該第二端部於一徑向方向之中。一第一撓性樞紐可以位於該第一伸長的間隙之該第一端部與該相鄰伸長的間隙之該第二端部之間。該第一撓性樞紐之一厚度可以小於該內體部之一厚度及/或小於該外體部之一厚度。該第一撓性樞紐之一上表面可以相對於該內體部及該外體部之上表面而被凹入，及/或該第一撓性樞紐之一下表面可以相對於該內體部及該外體部之下表面而被凹入。該外體部可以包括整合連接於該第一撓性樞紐之一擱板部。該內體部可以包括整合連接於該第一撓性樞紐之一重疊部。每一個伸長的間隙之該第二端部可以徑向地偏移於該伸長的間隙之該第一端部。

在一些實施之中，該精確地三個撓性樞紐之每一 個係相對於該單片體部之幾何中心實質上沿著一徑向方向延伸。

在一些實施之中，至少一撓性樞紐具有一厚度小 於該單片體部之一厚度。

在一些實施之中，該單片體部之一厚度係沿著從 該單片體部之一幾何中心之一徑向方向減少或增加。

在一些實施之中，該單片體部係由包含玻璃、金 屬、玻璃-陶瓷基質、陶瓷、石英、矽、鍺及鈹之群組之一材料所製成。

在一些實施之中，該光學主動部係為一透鏡或一鏡子。

在一些實施之中，該光學元件更包括一反射層位於該單片體部之上。該反射層可以包括複數個層。

在一些實施之中，一孔隙係位於該內體部之一中心處。

在一些實施之中，該外體部包括三個分別之區段，其中，每一個區段係連接於一對應之撓性樞紐。

某些實施可以具有特別的優點。舉例來說，光學元件之連接部能夠抑制起源於該外體部中之應力(例如，由於安裝光學元件)免於行進至該內體部，其中，光線是被反射、折射或衍射。此外，因為該單片體部是均勻地由一特別材料所構成，故由於在不同材料之不同熱膨脹係數間之一不協調所產生於該光學元件之該內體部中之應力能夠被減到最少。藉由限制行進至該內體部之應力，將會造成該光學元件之表面脫離於一理想典範之該內體部之變形及/或運動能夠被降低。此外，由於該單片體部是被構成做為一單一連續的元件，故無該體部 之組合是被需要的。

為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例並配合所附圖式做詳細說明。

100、200、800、900、1000、1100‧‧‧光學元件

102‧‧‧體部、單片體部

104、204、504、604、704、804、904、1004‧‧‧外體部

105、350、450、505、905、1005‧‧‧幾何中心

106、206、506、606、706、806、906、1006、1106‧‧‧內體部

108、508、608、708、808、908、1008‧‧‧伸長間隙

110‧‧‧連接部/應力降低結構、撓性樞紐

120‧‧‧孔隙

130、530‧‧‧虛線

150‧‧‧孔洞

201‧‧‧安裝底材

202、502、602、702、802、902、1002、1102‧‧‧單片體部

203‧‧‧孔洞

205‧‧‧開口

210、510、510a、610、710、810、910、1010、1110a-1110c‧‧‧撓性樞紐

260‧‧‧緊固物

360、460‧‧‧線

370、470‧‧‧圓

500、600、700‧‧‧應力降低光學元件

512、612‧‧‧第一端

514、614‧‧‧第二端

580‧‧‧擱板

590‧‧‧突出部

711、713‧‧‧端

715‧‧‧獨立中部

811‧‧‧長度

920、1020‧‧‧箭頭

1104a-1104c‧‧‧區段

第1A圖係顯示具有整合撓性樞紐之一應力降低光學元件之一範例之一平面示意圖。

第1B圖係顯示第1A圖中之光學元件之撓性樞紐之一之一上表面之特寫示意圖。

第1C圖係顯示第1A圖中之光學元件之部分剖面示意圖。

第2A圖係顯示用於安裝一光學元件之一安裝底材之一範例之平面示意圖。

第2B圖係顯示被安裝於一安裝底材之一光學元件之平面示意圖。

第3圖係顯示被定位於一徑向形態中之一撓性樞紐之輪廓圖。

第4圖係顯示被配置於一正切形態中之一撓性樞紐之一方位。

第5A圖係顯示具有整合之撓性樞紐之一應力降低光學元件之一範例之平面示意圖。

第5B圖係顯示從第5A圖中之光學元件之一撓性樞紐之特寫示意圖。

第5C圖係顯示第5A圖之截面A-A之立體示意圖。

第5D圖係顯示第5A圖之光學元件之截面B-B之立體示意 圖。

第6圖係顯示具有整合之撓性樞紐之一應力降低光學元件之一範例之平面示意圖。

第7圖係顯示具有整合之撓性樞紐之一應力降低光學元件之平面示意圖。

第8圖係顯示具有整合之撓性樞紐之一應力降低光學元件之平面示意圖。

第9圖係顯示具有整合之撓性樞紐之一應力降低光學元件之平面示意圖。

第10圖係顯示具有整合之撓性樞紐之一應力降低光學元件之平面示意圖。

第11圖係顯示具有整合之撓性樞紐之一應力降低光學元件之平面示意圖。

第1A圖係顯示具有整合撓性樞紐之一應力降低光 學元件100之一範例之一平面示意圖。一Cartesian座標系統是被顯示用於參考延伸至頁面之中及之外之z-方向。z-方向亦是延伸平行於光學元件100之光軸。光學元件100可以包括有一光學成分，例如，一透鏡(例如，一高精度透鏡)、一鏡子、分光器、一光束合成器、一極化器、一濾波器或一稜鏡。光學元件100包括有由一外體部104及一內體部106所構成之一體部102。一般而言，內體部106包括有光學元件之光學主動部。換言之，內體部之全部或部分係用於反射、折射或衍射入射於光學元件上之光線。舉例來說，在一些情況之中，內體部106係 為用於反射入射光之一鏡面。在一些實施之中，內體部106係為一透鏡以折射入射光。內體部106亦可以包括有允許一入射光束通過光學元件100之一孔隙120或其他的開口。在某些實施之中，外體部104係定義一安裝部，用於安裝光學元件100於一分離的部分，例如，一安裝底材。

如第1A圖所示，外體部104係圍繞內體部106，並且係透過三個連接部/應力降低結構110連接於內體部106。應力降低結構110是直接地被整合於形成光學元件100之體部102之材料之中。舉例來說，構成光學元件100之體部102之材料能夠被雕刻(例如，透過切削加工)去形成應力降低結構110，如此一來，體部102(包括外體部104、內體部106及應力降低結構110)係為一單一連續元件，亦即，體部102是單片的。舉例來說，體部102能夠是均勻地由一材料所構成，例如，玻璃(例如，Zerodur® from Schott AG or ULE® glass from Corning)、陶瓷、金屬、玻璃-陶瓷基質(例如，CLEARCERAM® from Ohara Corp.)、石英、矽、鍺、鈹或適合於使用做為一光學元件之任何其他材料。

三個應力降低結構110係用於隔離內體部106於起源於外體部104中之應力。舉例來說，當外體部104是被固定於一安裝結構時，起源於外體部104中之應力，由於安裝之故，不會傳遞至內體部106。此外，傳遞至內體部106之應力是被最小化。因此，即使外體部104變形於安裝時，超過可容忍程度之在內體部106上之應力能夠被避免。因此，光學元件100能夠被直接固定於一安裝結構，而不會使光學元件100之部分變 形，例如，內體部106，其是被使用去與入射光交互作用(例如，反射、傳送或濾光)。此能夠是特別有用的對於具有不良外觀比之光學元件，亦即，具有一寬度或長度遠大於厚度(例如，一寬度或長度約為5倍大於一厚度)。

在一些實施例之中，應力降低結構110是被指涉 為”撓性機構”或”撓性樞紐”。對於本發明之目的，一撓性樞紐(或撓性機構)是一種彈性的及被動的機械裝置，其係連接至少兩個不同部分以及限制應力透過彎曲或扭轉傳送於不同之部分之間。舉例來說，顯示於第1圖中之每一個撓性樞紐110係連接外體部104於內體部106，以及係允許單片體部102之兩個不同部分之相對運動透過樞紐之屈曲。典型地，一撓性樞紐係柔順的於一方向之中，但係相對堅硬的於其他的直角方向之中。 由於彎曲之故，撓性樞紐110係隔離內體部106於產生於外體部104上之機械及熱引起力，反之亦然。

第1B圖係顯示第1A圖中之撓性樞紐110之一之一 上表面之特寫示意圖。樞紐扭轉及/或屈曲所沿之撓性樞紐110之一中心是以一虛線130所標示。撓性樞紐110是被設計去輕易地繞著軸130彎曲。撓性樞紐110本質上係形成一通道於光學元件100之外體部104與內體部106之間。如第1B圖之平面圖所示，撓性樞紐110係覆蓋在內體部106與外體部104間之一實質均勻之矩形面積。撓性樞紐110之厚度係延伸至頁面之中(亦即，沿著z-方向)。

為了安裝光學元件100於一安裝底材，光學元件 100能夠包括有被成型於外體部104中之選擇性的孔洞150，其 中，螺絲或其他鎖附元件可以透過孔洞150將光學元件鎖固於安裝底材。舉例來說，其他的安裝方法包括使用機械夾鉗安裝光學元件，其中，夾鉗係接觸及固持外體部104於安裝底材。

第2A圖係顯示用於安裝一光學元件之一安裝底材 201之一範例之平面示意圖。安裝底材201包括有複數個孔洞203，用於容納緊固物去鎖附一光學元件於安裝底材201。在一些實施之中，安裝底材包括有一開口205用於允許光線去傳遞至安裝於底材之光學元件及/或從安裝於底材之光學元件傳遞。安裝底材201能夠是由適合於安裝光學元件之任何材料所構成，例如，鎳鐵合金、鋁、鋼或塑膠。安裝底材201係不被侷限於第2A圖中所示之圓形形狀以及能夠包括有適合安裝一光學元件之任何形狀。第2B圖係顯示被安裝於一安裝底材201之一光學元件200之平面示意圖。光學元件200包括具有一外體部204及一內體部206之一單片體部202，係藉由三個撓性樞紐210被連接在一起。如第2B圖所示，緊固物260能夠被使用去鎖附光學元件200之外體部204於安裝底材201。一般而言，任何標準的光學機械安裝裝置能夠被使用去鎖附光學元件於安裝底材。在其他實施之中，外體部包括有光學主動部，以及內體部是被鎖附於一安裝底材(例如，使用上述之安裝技術之一或多個)。

安裝技術，例如，以螺絲夾住或鎖附，不總是防 止光學元件相對於底材之相對運動，以及可以實際地使光學元件透過機械應力變形。此外，光學元件可以是易受形狀之一改變所影響的，由於安裝底材及光學元件之不同的熱膨脹係數 (CTE)。然而，有著整合式撓性樞紐之使用，由於前述不利因素之光學元件之光學主動部之變形能夠被最小化。舉例來說，當安裝底材之尺寸以及成型外體部之材料(其是被安裝於安裝底材)隨著溫度改變時(由於CTE不協調)，撓性樞紐會藉由彎曲吸收產生於外體部中之應力，並且因此限制由內體部所經歷之應力。當應力消失時，撓性樞紐係返回至它們的原本非受應力位置處。因此，撓性樞紐係能使光學元件之安裝部(例如，外體部)被安裝於另一部分，而不會降低光學元件之光學主動部之光學表現。舉例來說，在一些實施之中，樞紐係限制光學表面圖形之下降於少於一指定光學表面圖形之約25%，少於一指定光學表面圖形之約20%，少於一指定光學表面圖形之約15%，少於一指定光學表面圖形之約10%，或少於一指定光學表面圖形之約5%。此外，由於樞紐是由與內體部及外體部相同之材料所構成，並且是被整合為一體，故由於CTE不協調產生於內體部與外體部間之應力-引起變形會被消除。

請再參閱第1A圖，撓性樞紐110是被配置於一”徑 向”方位之中。換言之，三個撓性樞紐之每一個係相對於單片體部102之幾何中心105實質上沿著一徑向方向延伸。每一個撓性機構亦是堅硬的於徑向方向之中，但是相對柔順的繞著延伸通過撓性機構之一中心之一軸於徑向方向之中(亦即，從內體部106延伸至外體部104之一軸)。換言之，撓性機構能夠繞著徑向延伸軸扭轉。因此，每一個樞紐可以展現相對於內體部106及外體部104之扭轉移動之一有限數量。此外，撓性樞紐110是被配置大約等距於彼此。藉由配置精確地三個撓性樞紐於此種 方式，內體部106或外體部104之運動能夠被限制以及在內體部與外體部間之應力的傳送能夠被限制。相反地，有著較少的樞紐，內體部106可以經歷實質的移動，因而可以變換光學元件之位置。舉例來說，有著兩個樞紐，光學元件將會樞接及擺盪於兩個樞紐間之一軸之上。有著超過三個樞紐，內體部106將會被過度限制以及樞紐可能不會具有足夠的柔順度去吸收起源於外體部104中之應力。

撓性樞紐之”徑向”方位亦是被顯示於第3圖之中。 特別的是，第3圖係顯示三個撓性樞紐之輪廓圖，其中，每一個撓性樞紐係被配置以使得一伸長部分沿著在一應力降低光學元件之一內體部與一外體部間之一徑向方向延伸。如第3圖所示，每一個線360係代表被配置平行於從一光學元件之一幾何中心350向外延伸之一線之一撓性樞紐的長度。圓370是被顯示於第3圖之中去輔助撓性機構之繪示以及不必要地代表一物體或結構於一實際光學元件之中。

請再次參閱顯示於第1A圖中之範例，每一個撓性 樞紐110是藉由一伸長間隙108間隔於一相鄰的撓性樞紐。伸長間隙108是位於體部102中之一開口，其係延伸於撓性樞紐110之間以及提供從內體部106之外體部104之物體間隔。伸長間隙108之較短側邊係沿著從光學元件100之中心向外行進之方向延伸(亦即，徑向方向)。

伸長間隙108之開口係整個透過單片體部102之一 厚度延伸。換言之，開口係從單片體部102之一上表面延伸至單片體部102之一背表面。第1C圖係顯示於第1A圖之截面A-A 處之光學元件100之部分剖面示意圖，其中，通過光學元件之整個厚度之間隙的深度能夠被看到。藉由成型間隙去延伸通過單片體部102之整個厚度，起源於外體部104中之應力能夠被限制去只有透過樞紐110到達內體部106。

第1A圖亦顯示撓性樞紐110及伸長間隙108是被配 置於在外體部104與內體部106間之一環之中。包括伸長間隙108及撓性樞紐110之環能夠是一圓形圖案(如第1A圖所示)。此外，包括伸長間隙108及撓性樞紐110之環能夠具有其他的形狀，例如，橢圓形的、矩形的或方形的。

在一些實施之中，伸長間隙108之一或多個是拱形 的。換言之，伸長間隙108是被成形像一弓、弧線或不完整之環形狹槽，例如，被顯示於第1A圖中之間隙108。然而，伸長間隙108不必是彎曲的以及能夠採取其他的形狀。舉例來說，伸長間隙108能夠實質上是直線。在一些實施之中，伸長間隙108具有窄的部分以及相對寬的部分。在一些情況之中，伸長間隙108具有沿著一第一方向延伸之部分以及沿著不同方向延伸之其他部分，例如”S”形之伸長間隙108。原則上，伸長間隙108能夠包括有被製造於單片體部102中之任何形狀。

單片體部102可以具有一均勻的厚度，如此一來， 內體部106之厚度(如同沿著z-軸被決定)是與在外體部104處厚度相同。在其他實施之中，單片體部之厚度是非均勻的。舉例來說，在一些情況之中，單片體部102之厚度是最大的於或靠近光學元件100之中心以及是從中心向外徑向減小(例如，單調地或以其他方式)，如此一來，光學元件100之至少一上表面(及 /或下表面)係展現一凸起形狀。此外，在光學元件100之中心處之厚度能夠是最小的以及能夠沿著從中心之一徑向方向逐漸增加，如此一來，至少一上表面(及/或下表面)係展現一凹入形狀。在一些情況之中，撓性樞紐110之至少一個之厚度是與內體部106及/或外體部104之厚度相同。在某些實施之中，撓性樞紐110之至少一個之厚度是不同於內體部106及/或外體部104之厚度。舉例來說，撓性樞紐110能夠是比整個外體部104或內體部106薄。在一些情況之中，撓性樞紐110是被製造去具有與內體部及/或外體部不同之厚度，藉由加工撓性樞紐110是從單片體部102之前及/或背部所位於之區域。

該區域，如同被測量於第1A圖之x-y平面之中，及 /或由樞紐110相對於該區域所佔據之體積及/或由樞紐110間之間隙所佔據之體積可以變化。舉例來說，在一些實施之中，樞紐之面積(體積)是大約相等於由間隙所佔據之面積(體積)。此外，如第1A圖所示，由樞紐110所佔據之面積(體積)是遠小於由間隙108所佔據之面積(體積)。舉例來說，由樞紐所佔據之面積(體積)可以是由間隙所佔據之面積(體積)的1/3、由間隙所佔據之面積(體積)的1/4、由間隙所佔據之面積(體積)的1/6、由間隙所佔據之面積(體積)的1/10、或由間隙所佔據之面積(體積)的1/20。倘若撓性樞紐110是太窄的，則撓性樞紐110可以能會易受破裂所影響。光學元件100可以具有下列示範的尺寸：約150mm之一直徑(被測量於x-y平面之中)；約12mm² 之一撓性樞紐截面積(其中，深度是沿著z-軸被測量)；約2mm之一伸長間隙之一寬度(被測量於x-y平面之中)；以及約12mm之光學元件 (如同被測量於z-方向之中)之一平均厚度。

被使用於應力降低光學元件中之撓性樞紐並非被 侷限於第1A圖中所示之形狀以及能夠具有其他的形態。舉例來說，在一些實施之中，撓性樞紐包括有一細長腰部區域位於其幾何中心處，以增進彎曲於柔順方向之中。換句話說，樞紐能夠是較寬的於樞紐會合內體部及外體部之區域處，並且是較窄的於其之間。此外，樞紐長度能夠從內體部至外體部減少或增加(單調地或以其他方式)。其他的形狀亦是可能的。

撓性樞紐亦能夠被配置於一”切線”方位之中。換言 之，三個撓性樞紐之每一個具有一伸長部，其係實質上切線的相對於一圓延伸，其中，此圓之中心是與光學元件/單片體部之一幾何中心相同。樞紐所正切之圓不是必要地為光學元件之一實際物體元件，但可以包括一虛構之圓，用以決定樞紐之方位。第4圖係顯示被配置於一正切形態中之一撓性樞紐之一方位，其中，此正切形態係位於一應力降低光學元件之一內體部與一外體部之間。圓470是被顯示去輔助撓性機構方位之圖解，並且不必要地代表位於一實際光學元件中之一物體或結構。如第4圖所示，每一個線460係代表一撓性樞紐被配置切線地相對於在圓470上之一不同的點，其中，圓470具有一幾何中心450。對於此配置之簡略表達係為由線460所代表之撓性機構是被配置切線地相對於幾何中心450。

切線形態係允許撓性樞紐比起在徑向形態中更為 長的，而不需要從外體部及/或內體部之材料之一顯著數量之移除。舉例來說，具有與樞紐460相同長度之一撓性樞紐，但 係被配置於徑向形態之中，將會需要在外體部及/或內體部中之材料之一顯著的降低，以容納增加的長度。此外，能被獲得於切線形態中之增加的長度係允許撓性樞紐之一較大的截面，其反而係增加樞紐結構強度，而不犧牲靈活度。

包括有一切線撓性樞紐形態之一應力降低光學元 件500之一範例是被顯示於第5A圖之中。第5A圖係顯示光學元件500之平面示意圖。光軸是平行於z-方向至頁面之中。光學元件500包括有一單片體部502，單片體部502具有一外體部504藉由三個撓性樞紐510整合地連接於一內體部506。內體部506之光學主動區域是被此範例中之虛線圓所定義，雖然不同被定義之區域亦可以被使用做為光學主動區域。撓性樞紐510是伸長的於一切線形態之中，亦即，在實質上正切於一圓之一方向之中，此圓之中心是與光學元件500之幾何中心505相同。撓性樞紐510是相對柔順的於徑向方向及z-方向之中，並且是堅硬的於正交於徑向方向及z-方向之方向之中(亦即，切線方線)。 因此，撓性樞紐510實質上係維持內體部506固定於x-y平面之中。樞紐510之靈活度是主要地沿著z-方向，其係轉移在外體部504中之變形至內體部106沿著z-方向之翻倒、傾斜或運動(實體運動)，而不造成過度的光學表面圖形誤差。內體部506是實質地被樞紐510固定於x-y平面之中。以徑向建構之撓性樞紐，樞紐510是被配置實質上繞著單片體部502之幾何中心505等距於彼此。藉由配置精確地三個撓性樞紐於此方式之中，內體部506能夠被限制於沿著z-方向之一小量之翻倒、傾斜或運動。 相反地，以較少的樞紐，內體部106可以經歷實質的移動，因 而可變換光學元件之位置。在另一方面，倘若超過三個樞紐是被使用，內體部506將會被過度限制以及樞紐可能不會具有足夠之柔順度去吸收起源於外體部504中之應力。

分隔相鄰撓性樞紐510之伸長間隙508以及樞紐本 身是被配置於繞著單片體部502之中心505之一環之中。每一個伸長間隙508包括有一第一端512及一相對之第二端514。在本範例之中，每一個伸長間隙508之第一端512係部分地重疊一相鄰伸長間隙508之第二端514於徑向方向之中。撓性樞紐510是位於伸長間隙508之重疊部分間之區域之中，其中，撓性樞紐510之一第一側邊是整合地連接於內體部506以及樞紐510之一第二相對側邊是整合地連接於外體部。

在本範例之中，形成間隙508之開口之第一端512 係從一”弧形”偏離至撓性樞紐510所位於之區域中之一”狗腿”形狀之中。第5B圖係顯示從第5A圖之撓性樞紐510a之特寫示意圖。為了達到對於能以切線撓性樞紐510所獲得之內體部506之隔離的相同程度，一徑向撓性機構將必須是非常薄的或更長的於徑向方向之中，相較於切線撓性樞紐510之徑向跨距。太薄之撓性樞紐將會留下樞紐更為受到破裂影響於處理、操作及運送過程之中。此外，在徑向方向中較長的一撓性樞紐係需要一較大的外體部或較小的內體部去容納樞紐長度中之增加。在空間之可得性係為一設計限制之應用之中，切線撓性樞紐係有利地提供改善的靈活度，而比起一徑向定位撓性樞紐犧牲較少的面積以及具有較佳的結構整體性。

撓性樞紐510不需要去沿著一完美切線相對於一 圓延伸，此圓之中心是與單片體部502之中心505相同。如第5A圖及第5B圖所示，樞紐510實際上具有一輕微曲率，此曲率係依循內體部506之圓形(例如，沿著方位)，如此一來，樞紐係延伸於一實質切線方向相對於單片體部502之幾何中心505。在一些實施之中，實質上切線之一撓性樞紐係沿著一方向延伸於一切線對一圓之約30度之內，此圓之中心是與光學元件之幾何中心相同。此外，在一些實施之中，撓性樞紐是被配置於位於一徑向形態與一實質切線形態間之一角度處。舉例來說，在一些實施之中，精確地三個撓性樞紐之每一個係沿著一方向延伸，此方向係大於約30度從切線方向以及係小於90度從切線方向(例如，樞紐之一伸長部係沿著約45度從切線方向之一方向延伸)。在一些實施之中，撓性樞紐係被配置於一實質徑向形態之中(例如，樞紐之伸長部係沿著在約30度內從切線方向之一方向延伸)。

為了更加增進光學元件之應力降低能力，撓性樞 紐可以被定位於z-方向之中(例如，進入及離開頁面於顯示於第1A圖、第2A圖及第5A圖中之座標系統之中)，如此一來，撓性樞紐之截面中心是名義上位於光學元件之中性平面之中，亦即，對應於光學元件之質量之一中心之平面。中性平面係為被施加於光學元件之外邊緣之負載將會具有最少衝擊於形狀上之地點。使樞紐位於中心於中性平面處亦可改善對於震動之回應。藉由保持質量之中心於連接點之間，樞紐之自然頻率是被保持盡可能的高。再者，藉由放置撓性樞紐名義上位於中性平面處，由外體部之運動(球體運動)所造成之內體部之運動亦能 夠被最小化。

第5C圖係顯示第5A圖之截面A-A之立體示意圖。 如第5C圖所示，撓性樞紐510是被位於中心大約於光學元件500之中性平面處(如虛線530所示)。此外，撓性樞紐510a之厚度是小於光學元件500之內體部506及外體部504之厚度。使撓性樞紐510比內體部及/或外體部薄之一優點係為撓性樞紐將會是較柔軟的以及因此易於彎曲。然而，同時，使撓性樞紐變薄可能會使得樞紐更為易受破裂所影響。

伸長間隙508及撓性樞紐510之設計也可以被改變 於其他的方式之中。舉例來說，如第5C圖所示，撓性樞紐510之一上表面可以是位於與成型在外體部506上之一擱板580相同之平面之中。在此範例之中，擱板580係為一突出邊緣以及可以藉由從外體部504移除材料至從光學元件500之上表面開始之一固定深度所被成型。同樣地，一突出部590可以被成型於內體部506之上。突出部590之一範例是被顯示於第5C圖及第5D圖之中。第5D圖係顯示第5A圖之光學元件500之截面B-B之立體示意圖。突出部590可以藉由從內體部506移除材料至從光學元件500之背側開始之一固定深度所被成型。突出部590及/或擱板580之成型可以輔助固定光學元件500於某些實施之中。如第5C圖及第5D圖所示，形成突出部590及擱板580之前側與背側係具有稍微不同之直徑。此係允許來自於內體部506及外體部504之材料被移除，而仍然留下足夠寬對於合理標準加工製程之開口。形成突出部590及擱板580之凹槽係突破至彼此之中形成伸長間隙508(亦即，如此一來，間隙係從前側連續 地延伸至單片體部之背側)，而每一個凹槽之輪廓係為一全圓。

被顯示於第5A圖至第5D圖中之撓性樞紐510可以 具有下列之示範尺寸：約16mm² 之一截面積(被測量於z-x平面之中)；約16mm之一撓性樞紐長度(被測量於x-y平面之中)。

其他的切線撓性樞紐設計亦是可能的。第6圖係顯 示運用三個撓性樞紐610於另一切線形態中之一應力降低光學元件600之一範例之平面示意圖。光學元件600包括有由一外體部604透過撓性樞紐610連接於一內體部606之一單片體部602。分隔相鄰之撓性樞紐610之伸長間隙608以及樞紐本身是被配置於繞著單片體部602之一中心之一環之中。每一個伸長間隙608包括有一第一端612及一相對之第二端614。在本範例之中，每一個伸長間隙608之第二端614係部分地重疊一相鄰伸長間隙608之第一端612於徑向方向之中。一撓性樞紐610是位於伸長間隙608之重疊部分間之區域之中，其中，撓性樞紐610之一第一側邊是整合地連接於內體部606以及樞紐610之一第二相對側邊是整合地連接於外體部。

各種修改能夠被進行於顯示於第6圖中之設計。舉 例來說，伸長間隙608能夠是實質上直線的以取代彎曲的，或間隙寬度能夠是非均勻的於間隙608之長度之上(相對於固定寬度於第1A圖中之間隙108之弧形長度之上)。此外，或另外，撓性樞紐係實質上繞著一內體部延伸。舉例來說，第7圖係顯示一應力降低光學元件700之一範例之平面示意圖，在此，應力降低光學元件700具有一單片體部702，單片體部702係由一外體部704、一內體部706以及連接外體部704於內體部706之三 個撓性樞紐710所構成。為了容易觀看之故，樞紐之外形是使用虛線被顯示。如第7圖所示，每一個撓性樞紐710具有實質上繞著內體部706延伸之一彎曲形狀。此外，每一個樞紐710之兩端711、713係增加於寬度之中(其中，寬度是沿著徑向方向被量測)朝向樞紐710之中間部分。一樞紐710之每一端係在一徑向方向中重疊一相鄰樞紐之一端。同樣地，分隔樞紐710之伸長間隙708亦具有於兩端較窄以及於其中間較寬的形狀。此外，整合地連接內體部706以及外體部704之端711、713之部分是比獨立中部715更長的(如同被測量於方位方向之中)。

包括有整合式撓性機構之光學元件也能夠具有其 他的設計。舉例來說，在一些實施之中，一徑向定位撓性樞紐之一伸長側邊能夠實質地延伸至外體部之中。那種設計之一範例是被顯示於第8圖之中。第8圖係顯示一光學元件800之一範例之平面示意圖，在此，光學元件800具有一單片體部802，單片體部802係由一外體部804、一內體部806、連接外體部804於內體部806之三個撓性樞紐810、以及伸長間隙808所構成。每一個撓性樞紐810之伸長部分是被徑向地校直相對於單片體部802之一幾何中心。如第8圖所示，外體部804必須是足夠大的去容納撓性樞紐810之長度811。此外，實質上較多的材料必須從外體部804被移除掉，相較於第1A圖之徑向撓性樞紐設計或第5A圖之切線樞紐設計。

前述之實施包括有具有一般圓形之光學元件。然 而，光學元件並不侷限於圓形的設計。反而，光學元件之設計，包括內體部及/或外體部，能夠具有其他非圓形的形狀。第9圖 係顯示一光學元件900之一範例之平面示意圖，在此，光學元件900具有三角形之一單片體部902。單片體部902包括一外體部904、一內體部906、連接外體部904於內體部906之三個撓性樞紐910、以及伸長間隙908。撓性樞紐910是彼此繞著單片體部902之一大約幾何中心905被配置於等距點處。撓性樞紐910係展現一像懸臂之運動，當受到從外體部904或從內體部906所施加之力時。舉例來說，樞紐910係相對於外體部904較為柔順的於箭頭920以及沿著z-方向之方向之中，但係為相對堅硬的於與樞紐之伸長側邊平行之一軸之一方向之中。因此，內體部906是被侷限於一小量之翻倒、傾斜或z-方向運動。對比於第1A圖及第5圖中所示之實施，撓性樞紐910是被定位於一徑向與切線形態之間相對於中心905。

第10圖係顯示一光學元件1000之一範例之平面示 意圖，在此，光學元件1000具有正方形之一單片體部1002。單片體部1002包括一外體部1004、一內體部1006、連接外體部1004於內體部1006之三個撓性樞紐1010、以及伸長間隙1008。 撓性樞紐1010是彼此繞著單片體部1002之一大約幾何中心1005被配置於等距點處。類似於第9圖中所示之樞紐910，撓性樞紐1010係展現像懸臂之運動。舉例來說，樞紐1010係相對於外體部1004較為柔順的於箭頭1020以及沿著z-方向之方向之中，但係為相對堅硬的於與樞紐之伸長側邊平行之一軸之一方向之中。因此，內體部1006是被侷限於一小量之翻倒、傾斜或z-方向運動。撓性樞紐1010是被定位切線地相對於中心1005。

雖然範例設計已涵蓋繞著內體部完全延伸之外體 部，但可選擇的形態亦是可能的，其中，外體部係繞著內體部部分地延伸。舉例來說，第11圖係顯示一光學元件1100之一範例之平面示意圖，在此，光學元件1100具有一單片體部1102。 單片體部1102包括一內體部1106、包含三個分別區段1104a-1104c之一外體部、以及分別連接外體部區段1104a-1104c於內體部1104之三個撓性樞紐1110a-1110c。顯示於第11圖中之設計係以類似於第10圖之設計之方式運作，而有例外對於一緊固件或夾鉗能被使用於安裝光學元件於一安裝底材之外體部區域已被減少。

根據在此所述之實施之任一個之一光學元件能夠 使用電腦數值控制(CNC)鑽石銑削工具被製造，其中，一一鑽石尖銑削工具是被使用去成型開口於單片體部之中。取決於所需端設計，孔洞可以延伸通過單片體部之整個厚度或只有部分通過單片體部之厚度。因為在此所述之光學元件，是由一單片體部所成型，故無光學元件之組裝是被需要的。

在此所述之光學元件能夠被使用於許多不同之應 用之中，特別是在高性能之應用之中，例如，在微影系統及其投影光學系統之中。在此所述之光學元件亦可以是有用的於其他高精度應用之中，其中，解析度及扭曲是重要的相對於光學性能，例如，在晶圓/晶片檢查工具之中、做為空間光學、或做為鏡子，其中，光學表面圖形可能是一顯著的挑戰，由於空間侷限及/或重量限制不利地影響厚度對於孔隙尺寸之外觀比。

許多的實施已被敘述。然而，各種修改可以被進 行而不脫離本發明的精神和範圍。舉例來說，各種的應力降低光學元件可以使用從在此所述之任何實施之特徵之一或多個被建構。在一些實施之中，應力降低光學元件能夠包括被成型於單片體部上之塗層，以增進光學元件之反射率。舉例來說，鋁、金及/或銀之薄膜能夠被沉積於單片體部之前及/或背表面之上。在一些實施之中，介電材料之複數個薄層能被沉積於單片體部之前及/或背表面之上，以增進反射率。取決於厚度、介電指數及/或對於層被選擇之材料，堆疊能夠被設計去反射入射光於一或多個所需波長處以及於不同角度處。舉例來說，介電堆疊能夠被設計去反射來自於一波長範圍之光線，例如，於可見光範圍之中(例如，約300nm至約700nm)、於紫外光範圍之中(例如，約10nm至約300nm)、或於於紅外光範圍之中(例如，約700nm至約0.3mm)。介電堆疊亦能夠被設計去與允許光線之某些波長之傳送於不同角度處。對於介電堆疊之共同材料包括氟化鎂、二氧化矽、五氧化二鉭、硫化鋅和二氧化鈦。在一些實施之中，在此所述之光學元件可以包括塗層去使光線之某些波長之反射係數最小化。反射層及/或介電堆疊能夠使用一般技術被沉積，例如，物理氣相沉積、化學氣相沉積、離子束沉積、分子束取向附生以及濺鍍沉積。

如上所述，其他的實施是位於下列申請專利範圍之範圍之內。

100‧‧‧光學元件

102‧‧‧體部、單片體部

104‧‧‧外體部

105‧‧‧幾何中心

106‧‧‧內體部

108‧‧‧伸長間隙

110‧‧‧連接部/應力降低結構、撓性樞紐

120‧‧‧孔隙

150‧‧‧孔洞

Claims (25)

1. 一種具有一單片體部之光學元件，該單片體部包括：一內體部；一外體部，至少部份地繞著該內體部延伸；以及精確地三個撓性樞紐，係連接該內體部於該外體部，其中，該內體部及該外體部之一係定義用於反射、折射或衍射光線之一光學主動部，以及該內體部及該外體部之另一係定義一安裝部，以及其中該外體部包括整合連接於該三個撓性樞紐之一第一樞紐之一擱板部和/或該內體部包括整合連接於該三個撓性樞紐之一第一樞紐之一重疊部。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學元件，其中，該精確地三個撓性樞紐係使該安裝部被安裝於另一部分，而不降低該光學主動部之光學表現。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光學元件，其中，該內體部係為該光學主動部，以及該光學主動部係為一鏡子。
4. 如申請專利範圍第1項所述之光學元件，其中，至少一撓性樞紐之每一個係相對於該單片體部之幾何中心實質上沿著一切線方向延伸。
5. 如申請專利範圍第4項所述之光學元件，其中，至少一撓性樞紐之每一個係沿著在該切線方向之約30度內之一方向延伸。
6. 如申請專利範圍第1項所述之光學元件，其中，該內體部具有一圓形之形狀。
7. 如申請專利範圍第1項所述之光學元件，其中，該內體部具有一非圓形之形狀。
8. 如申請專利範圍第1項所述之光學元件，其中，至少一撓性樞紐係藉由在該內體部與該外體部間之一間隙間隔於一相鄰之撓性樞紐。
9. 如申請專利範圍第8項所述之光學元件，其中，至少一撓性樞紐以及該間隙係為拱形的。
10. 如申請專利範圍第9項所述之光學元件，其中，該間隙具有一弧形長度比該等撓性樞紐之至少一個之一弧形長度長。
11. 如申請專利範圍第8項所述之光學元件，其中，每一個間隙係從該單片體部之一第一表面延伸通過該單片體部之厚度至該單片體部之一相對的第二表面。
12. 如申請專利範圍第8項所述之光學元件，其中，每一個撓性樞紐係藉由在該內體部與該外體部間之一間隙間隔於一相鄰之撓性樞紐，每一個間隙具有一第一端部及一相對的第二端部，以及一第一間隙之該第一端部係重疊一相鄰間隙之該第二端部於一徑向方向之中。
13. 如申請專利範圍第12項所述之光學元件，其中，該等撓性樞紐之至少一個係位於該第一間隙之該第一端部與該相鄰間隙之該第二端部之間。
14. 如申請專利範圍第13項所述之光學元件，其中，介於該第一端部和該第二端部之間之至少一撓性樞紐之一厚度係小於該內體部之一厚度以及小於該外體部之一厚度。
15. 如申請專利範圍第14項所述之光學元件，其中，介於該第 一端部和該第二端部之間之至少一撓性樞紐之一上表面係相對於該內體部及該外體部之上表面而被凹入，以及介於該第一端部和該第二端部之間之至少一撓性樞紐之一下表面係相對於該內體部及該外體部之下表面而被凹入。
16. 如申請專利範圍第1項所述之光學元件，其中，該精確地三個撓性樞紐之每一個係相對於該單片體部之幾何中心實質上沿著一徑向方向延伸。
17. 如申請專利範圍第1項所述之光學元件，其中，至少一撓性樞紐具有一厚度小於該單片體部之一厚度。
18. 如申請專利範圍第1項所述之光學元件，其中，該單片體部之一厚度係沿著從該單片體部之一幾何中心之一徑向方向減少或增加。
19. 如申請專利範圍第1項所述之光學元件，其中，該單片體部係由包含玻璃、金屬、玻璃-陶瓷基質、陶瓷、石英、矽、鍺及鈹之群組之一材料所製成。
20. 如申請專利範圍第1項所述之光學元件，其中，該光學主動部係為一透鏡。
21. 如申請專利範圍第1項所述之光學元件，其中，該光學主動部係為一鏡子。
22. 如申請專利範圍第1項所述之光學元件，其中，該光學元件更包括一反射層位於該單片體部之上。
23. 如申請專利範圍第22項所述之光學元件，其中，該反射層包括複數個層。
24. 如申請專利範圍第1項所述之光學元件，其中，一孔隙係位 於該內體部之一中心處。
25. 如申請專利範圍第1項所述之光學元件，其中，該外體部包括三個分別之區段，以及每一個區段係連接於一對應之撓性樞紐。