WO2021019785A1 - 光学素子の実装方法 - Google Patents

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cooling
deformation
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宗範 川村
勇一 赤毛
坂本　尊
岡　宗一
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日本電信電話株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an optical element, and particularly to a mounting method thereof.
  • Optical elements such as lenses, mirrors, and diffraction elements are widely used in home appliances, industrial control devices, manufacturing devices, research devices, and measuring devices.
  • industrial control devices manufacturing devices
  • manufacturing devices manufacturing devices
  • research devices and measuring devices.
  • 3D printers 3D shape measuring devices
  • metal processing using laser light of several kW, for which demand has been increasing in recent years.
  • the optical element used for processing using a laser beam of several kW has difficulty in making the transmittance or reflectance of the laser light 100%, and absorbs several% of energy to be an optical element. Generates heat.
  • processing with a desired accuracy cannot be performed for a long time due to a thermal lens effect such as a change in the focal length due to expansion of the lens.
  • a thermal lens effect such as a change in the focal length due to expansion of the lens.
  • Such a problem also occurs in the mirror or the diffractive optical element, for example, the concave mirror or the convex mirror may be thermally expanded and deformed to change the focal length, and the same phenomenon may occur in the diffractive optical element.
  • the optical element is often cooled in machining using a laser beam of several kW.
  • the back side of the reflecting surface is cooled, but depending on this cooling method, the reflecting surface may be distorted on the contrary.
  • the plane mirror may already be distorted at the stage of holding it.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining an example of mounting a reflective diffractive optical element in a laser light processing system as an example of a conventional optical element.
  • the reflective diffractive optical element 101 is provided with a cooling mechanism 201 on the back surface, faces the side surface in the y-axis direction, and with respect to the incident light 301 of the laser beam incident in the z-axis direction from the left side of the drawing.
  • the reflecting surface is tilted downward to the left, and the reflected light 302 is reflected in the x-axis direction.
  • the reflected light 302 forms an interference pattern as the diffracted light 303 in the vicinity of the lower laser irradiation object or the focal point (not shown) according to the characteristics determined by the diffraction pattern formed on the surface of the reflective diffractive optical element 101.
  • FIG. 1A shows an example of a rectangular light intensity distribution of the interference pattern of the diffracted light 303.
  • the light intensity distribution in the x-axis direction in the cross section of the light beam of the incident light 301 is a Gaussian distribution
  • the incident light 301 is in the xy plane.
  • the cross-sectional shape (profile) of the light beam is circular.
  • the reflective diffractive optical element 101 can convert the incident light 301 having a Gaussian distribution into the diffracted light 303 having a rectangular distribution, and efficiently irradiate the object with a laser.
  • a viscous fluid such as water or oil can be used as the cooling medium instead of air.
  • FIG. 2 is a three-dimensional view and a cross-sectional view showing a conventional cooling mechanism by cooling using a viscous fluid in a reflective diffractive optical element.
  • the reflective diffractive optical element 101 holds a viscous fluid holding portion 203 by a frame component 202 (a mechanism for holding the optical element) that holds the optical element forming a part of the cooling mechanism. It is fixed and held as a lid of (container).
  • the inflow port 204 of the viscous fluid and the outflow port 205 of the viscous fluid are provided on the opposite side surfaces of the container 203 holding the viscous fluid 401.
  • the viscous fluid 401 is flowing in the direction of the arrow due to the pressurization on the side.
  • the optical element since the coefficient of linear expansion of the member of the cooling mechanism and the coefficient of linear expansion of the material of the optical element are significantly different, the optical element may be deformed and a desired optical system may not be constructed.
  • the optical element when the optical element needs to operate at a predetermined temperature, depending on the installation environment, for example, a heat retention / heating mechanism by a heater or a heating fluid may be provided instead of the cooling mechanism, but the same thermal expansion ( The optical element may be deformed due to shrinkage), driving pressure, holding stress, etc., and a desired optical system may not be constructed.
  • the present invention provides a mounting method that solves the problem that the optical characteristics such as the focal length change due to the above-mentioned optical element warping under pressure or stress due to cooling, heating, or the like.
  • the present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a mounting method capable of operating (using) an optical element with a desired accuracy.
  • An example of an embodiment of the present invention is characterized by having the following configurations in order to achieve such an object.
  • the part that functions as the optical element is thinned and the peripheral part is formed thick so that the optical element is rigid against stress or pressure applied to the optical element due to temperature rise and holding due to cooling or light irradiation.
  • This is a mounting method in which a shape is formed and mounted so as to have a desired function.
  • the desired function can be obtained.
  • This is a mounting method in which an optical element is distorted in advance to form a shape so that the shape has a shape.
  • the pressure of the viscous fluid is controlled, and when a Peltier element is used, the coefficient of linear expansion of the substance of the Peltier element and the coefficient of linear expansion of the material of the optical element are about the same. It is an implementation method that consists of and implements.
  • An example of the embodiment of the present invention may further include the following configurations.
  • (Structure 1) It is a mounting method that is mounted on a mechanism that holds an optical element. Mounting of an optical element, characterized in that the shape of the optical element is formed so as to obtain desired performance without deforming the optical element or by suppressing deformation according to the stress applied to the optical element in advance. Method.
  • (Structure 3) It is a mounting method that is mounted on a mechanism that holds an optical element. Deformation according to the stress applied to the optical element is measured or predicted in advance in the mounting state, and the deformation is intentionally distorted so as to cancel the deformation in advance, and the shape of the optical element is adjusted so that desired performance can be obtained at the time of mounting.
  • a method for mounting an optical element which is characterized by forming.
  • (Structure 4) A method of mounting an optical element that uses both a cooling or heating mechanism.
  • a method for mounting an optical element which prevents deformation of the optical element by making the coefficient of linear expansion of the material used for the cooling or heating mechanism substantially the same as the coefficient of linear expansion of the material of the optical element.
  • (Structure 5) A method of mounting an optical element used in combination with a cooling or heating mechanism using a viscous fluid.
  • a method for mounting an optical element which comprises changing the structure of a portion having a function of the optical element and a portion not having the function of the optical element so that the performance of the optical element is not deformed by the driving pressure of the viscous fluid.
  • (Structure 6) A method for mounting an optical element used together with a viscous fluid holding portion that constitutes a cooling or heating mechanism using a viscous fluid. By adjusting the cross-sectional area of the inlet or outlet of the viscous fluid and at least one or all of the length of the flow path in the viscous fluid holding portion, the pressure is set so that the optical element is not deformed. How to mount an optical element.
  • (Structure 7) It is a mounting method that is mounted on a mechanism that holds an optical element. It is characterized by increasing the thickness of the outer peripheral portion of the optical element including the holding point of the optical element, and constructing an optical system that is not affected by temperature changes and vibrations without distorting the optical element by the holding force. How to mount the optical element.
  • optical element mounting method it is possible to mount an optical element that can prevent the focal length from changing due to warping due to pressure or stress depending on the cooling or heating method.
  • the viscous fluid is collected from the outlet 205 of the viscous fluid 401 through a conduit such as a hose (not shown) in a constant temperature bath that controls the temperature of the viscous fluid, and is viscous again in the conduit.
  • a conduit such as a hose (not shown) in a constant temperature bath that controls the temperature of the viscous fluid, and is viscous again in the conduit.
  • P out applies Bernoulli's theorem as follows. It can be calculated by the formula.
  • the first term is the so-called dynamic pressure determined by Bernoulli's theorem
  • the second term is the total pressure loss required to pass through the flow path
  • the third term is the static pressure.
  • the flow path area is the cross-sectional area of the outlet 205
  • the density is the density of the viscous fluid
  • the outflow coefficient is a proportional coefficient determined by the viscous fluid.
  • the pressure of the viscous fluid 401 in FIG. 2 is substantially the same as the P out , so that the P out is added to the optical element 101.
  • a mounting that suppresses deformation of the optical element with respect to such pressure is realized.
  • FIG. 3 is a three-dimensional view (a) and a cross-sectional view (b) of the optical element showing the first embodiment of the present invention.
  • the surface having a function as an optical element for example, a plane mirror is a mirror
  • a diffractive optical element is a surface subjected to microfabrication in the central portion.
  • the thinly formed functional surface 102 (the part having the function of the optical element) is formed thinner than the non-functional surface 103 (the part having the function of the optical element) having no function of the surrounding optical element. There is.
  • the thickness of the non-functional surface 103 of the optical element is not warped by the P out, or which can suppress deformation It is made thick and is mounted on the cooling mechanism 201.
  • the optical element 101 is pressed and held by the frame component 202 of the cooling mechanism in mounting, but naturally, the optical element is not distorted or deformed by the pressure or stress associated with this mounting.
  • a surface 103 having no function of an optical element is formed so as to suppress it.
  • the limit of the magnitude of deformation as a guide is, for example, about several tens of meters in terms of the radius of curvature of the optical element.
  • the portion that functions as the optical element is thinned and the peripheral portion thereof is thickened, or conversely, the portion that functions as the optical element is thickened and the peripheral portion thereof is thinned to form the optical element. It can be formed and mounted so as to have a desired function by increasing the rigidity as a whole against such stress or pressure.
  • the shape of the optical element is adjusted so that the desired performance can be obtained without deforming the optical element or by suppressing the deformation according to the stress applied to the optical element in advance.
  • the main point of the present invention is to form the optical element. For example, by changing the thickness of the portion having the function of the optical element and the portion not having the function, the rigidity as a whole can be increased and the distortion of the optical element can be prevented.
  • FIG. 4 shows a three-dimensional view (a) and a cross-sectional view (b) of the optical element used in the mounting method of the second embodiment of the present invention.
  • the optical element is made of metal having a thickness of several mm.
  • the shape warps like a convex mirror, and the function as a plane mirror is not exhibited.
  • the deformation of the optical element due to the pressure and stress applied to the optical element in the mounted state is measured, or the physical property value of the metal which is the material of the optical element is used. Deformation is calculated and predicted, and an optical element is formed in advance in a concave mirror-like shape so that it can operate as a plane mirror even when pressure or stress is applied during actual mounting or use, and this is mounted on the cooling mechanism. ..
  • the functional surface 102 is a portion having the function of the optical element
  • the non-functional surface 103 is a portion having no function of the optical element.
  • the thickness is changed according to the portion to increase the rigidity of the optical element as a whole, but in the second embodiment of FIG. 4, the deformation is folded in the reverse direction in advance instead of increasing the rigidity. It is formed in a rectangular shape, and is formed and mounted so as to have a desired optimum shape by canceling the deformation during operation when it is mounted and pressure is applied.
  • Deformation according to the stress applied to the optical element is measured or predicted in advance in the mounting state, and the deformation is intentionally distorted so as to cancel the deformation in advance, and the shape of the optical element is adjusted so that desired performance can be obtained at the time of mounting. It can also be said that it is a method of mounting the optical element to be formed.
  • the mounting method of the optical element according to the second embodiment can be similarly applied not only to the stress and deformation caused by the cooling mechanism but also to the stress and deformation caused by the heat retention / heating mechanism such as a heater and a heating fluid.
  • the optical element of Example 2 operates as a desired plane mirror, and the desired processing can be performed without producing a thermal lens effect. did it.
  • a Peltier element whose temperature is controlled by an electric current is attached to the back surface of the optical element as a cooling mechanism to suppress a temperature rise of the optical element.
  • the material of the optical element was changed, and the ceramics of the Peltier element and the coefficient of linear expansion were made to be the same material.
  • the optical element did not warp, and a desired optical system could be constructed. Distortion of the optical element is prevented by making the coefficient of linear expansion of the material used for the cooling or heating mechanism substantially the same as the coefficient of linear expansion of the material of the optical element.
  • the range in which the linear expansion coefficients can be regarded as substantially the same value is not uniquely determined because it depends on the thicknesses of the two materials, but in general, the thicker the coefficient, the more the warp and strain can be suppressed, and the range in which the linear expansion coefficients can be regarded as the same value can be widened.
  • the mounting method of the optical element according to this embodiment can be similarly applied not only to stress and deformation due to the cooling mechanism, but also to stress and deformation due to the heat retention / heating mechanism such as a heater and a heating fluid.
  • Example 1 In the configuration of Example 1, the diffractive optical element was mounted on the cooling mechanism and used, but the pressure caused warpage and the state became like a convex mirror, and the focal length became about 30 cm to 10 cm longer. For this reason, a mechanism for moving the optical element is required for focusing, and the device has become large in size.
  • this warp (radius of curvature) was calculated in advance, and a diffractive optical element was manufactured, mounted, and used so that the focal length was 30 cm at that radius of curvature.
  • processing is possible with a focal length of 30 cm even when used under pressure, and a moving mechanism for optical elements is no longer required.
  • the method of mounting the optical element according to this embodiment can be similarly applied not only to stress and deformation due to the cooling mechanism, but also to stress and deformation due to, for example, the heat retention / heating mechanism of the heater and the heating fluid.
  • the flow path area in the equation (1) of the driving pressure Pout of the cooling mechanism is increased, the flow path length is shortened, or both.
  • the mounting method of the optical element according to this embodiment can be similarly applied not only to stress and deformation due to the cooling mechanism, but also to stress and deformation due to the heat retention / heating mechanism such as a heater and a heating fluid.
  • a cooling function is not required, but if the size of the optical element is as large as 20 cm or more in diameter, a holding force of several tens of Newtons or more is required to hold it so that it is not affected by temperature changes or vibrations. However, it is known that this holding force distorts the optical element.
  • the thickness of the outer peripheral portion of the optical element including the holding point of the optical element is increased, and the influence of temperature change, vibration, and holding force without distorting the optical element by the holding force.
  • the optical element can be prevented from being deformed by the driving pressure or thermal stress of the cooling or heating mechanism, the holding force, etc., and the characteristics of the optical element are changed. Can be implemented.
  • Optical element 102 ... Functional surface (part having the function of the optical element) 103 ... Non-functional surface (part that does not have the function of an optical element) 201 ... Cooling or heating mechanism 202 ... Frame part 203 ... Viscous fluid holding part (container) 204 ... Inlet 205 ... Outlet 301 ... Incident light 302 ... Reflected light 303 ... Diffracted light (light intensity distribution) 401 ... Viscous fluid

Abstract

光学素子を保持する機構に実装する際に、予め光学素子に加わる応力に合わせ、光学素子を変形させることなく、あるいは変形を抑えて 所望の性能が得られるように、光学素子の形状を形成することを特徴とする光学素子の実装方法。

Description

光学素子の実装方法
　本発明は光学素子に関し、特にその実装方法に関する。
　レンズや鏡、回折素子などの光学素子は、家電を始め、工業用の制御装置や製造装置、あるいは研究装置や計測装置に広く用いられている。特に近年需要が増加している３次元プリンターや、３次元形状計測装置、数ｋＷのレーザー光を用いた金属加工などにも広く用いられている。
　これらの光学素子の中でも、数ｋＷのレーザー光を用いる加工に使用される光学素子は、レーザー光の透過率あるいは反射率を１００％にすることが難しく、数％のエネルギーを吸収して光学素子に発熱が生じる。その結果、例えばレンズが膨張することで焦点距離が変化するなどの熱レンズ効果により、所望の精度での加工が長時間行えないなどの問題がある。このような問題は、ミラーや回折光学素子でも生じ、例えば凹面鏡や凸面鏡が熱膨張して変形し、焦点距離が変化することがあるし、回折光学素子でも同様の現象が起こる場合がある。
　このような現象（広義の熱レンズ効果）を防ぐため、数ｋＷのレーザー光を用いる機械加工では光学素子を冷却することが多い。具体的には、例えば平面鏡を冷却するには反射面の裏側を冷却するわけであるが、この冷却方法によっては反射面に逆に歪みが生じてしまう場合がある。
　例えば、冷却方法として空冷を採用した場合について考えると、１０ｋＷのレーザー光を反射させる平面鏡の反射率が９９％であったとしても、１００Ｗのエネルギーを吸収することになり、これが平面鏡の温度を上昇させ熱膨張により熱レンズ効果を生じる。
　平面鏡の材料や厚さにも依存するが、これを空気で冷却するには毎分数百リットルの空気を平面鏡に吹き付けなければならず、この空気によって平面鏡が揺れないよう押さえて実装するには数百ニュートンの力が必要となる。
　しかし、これほどの大きな力によって平面鏡を保持すると、保持した段階で既に平面鏡が歪んでしまうことがある。
　図１は従来の光学素子の一例として、反射型回折光学素子のレーザ光加工システムへの実装例を説明するための図である。
図１（ａ）において、反射型回折光学素子１０１は、裏面に冷却機構２０１を備え、ｙ軸方向に側面を向け、図の左からｚ軸方向に入射するレーザ光の入射光３０１に対して、反射面を左下向に傾けて設置されており、ｘ軸方向に反射光３０２を反射している。反射光３０２は、反射型回折光学素子１０１の表面に形成された回折パターンにより決まる特性に応じて、図示しない下方のレーザ照射対象物ないし焦点の近傍で回折光３０３として干渉パターンを形成する。
　図１（ａ）の下には、回折光３０３の干渉パターンの矩形の光強度分布の例を示す。図１（ｂ）に示すように、入射光３０１の光ビームの断面におけるｘ軸方向の光強度分布はガウス分布であり、図１（ｃ）に示すように、入射光３０１のｘｙ平面での光ビーム断面形状（プロファイル）は円形になっている。反射型回折光学素子１０１によって、ガウス分布の入射光３０１を矩形分布の回折光３０３に変換して、効率よく対象物にレーザ照射することができる。
（冷却機構、加熱機構）
　また、反射型回折光学素子の発熱対策として、空気ではなく例えば水や油などの粘性流体を冷却媒体に用いることもできる。
　図２は、反射型回折光学素子において、粘性流体を用いた冷却による従来の冷却機構を示す立体図および断面図である。
　図２（ａ）で、反射型回折光学素子１０１は、冷却機構の一部を構成する光学素子を押さえる枠部品２０２（光学素子を保持する機構）によって、粘性流体を保持する粘性流体保持部２０３（容器）の蓋として固定され保持されている。
　図２（ｂ）の断面図に示すように、粘性流体４０１を保持する容器２０３の対向する側面には、粘性流体の流入口２０４、粘性流体の流出口２０５が設けられていて、流入口２０４側での加圧により粘性流体４０１が矢印の方向に流れている。
　粘性流体を用いた冷却により必要な冷却能力を発揮するためには、粘性流体の流量を増やす必要がある場合があり、粘性流体の流量を増やすために流入口２０４における駆動圧を増やすと、容器２０３内部における粘性流体の圧力増加により反射型回折光学素子１０１が反って焦点距離が変化してしまい、所望の精度での光加工が困難となる場合がある。
　また、冷却機構の部材の線膨張係数と光学素子の素材の線膨張係数とが大きく異なるために光学素子が変形してしまい、所望の光学系が構築できないこともある。
　さらに、例えば光学素子が所定の温度で動作する必要がある場合に設置環境によっては、冷却機構の代わりに例えばヒータや加熱流体などによる保温・加熱機構を設ける場合があるが、同様な熱膨張（収縮）や駆動圧力、保持応力などによっても光学素子が変形し、所望の光学系が構築できないこともある。
特開平９－１７４２７４号公報
　本発明は、前述のような光学素子が冷却または加熱その他によって圧力または応力をうけて反るなどして、焦点距離などの光学特性が変化するという課題を解決する実装方法を提供する。
　本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、光学素子を所望の精度で動作させる（使用する）ことができる実装方法を提供することを目的とする。
　本発明の実施形態の一例は、このような目的を達成するために、以下のような構成を備えることを特徴とする。
　ひとつには光学素子において、光学素子として機能する部分を薄くし、且つ、その周辺部分を厚く形成して、冷却や光照射による温度上昇、および保持により光学素子にかかる応力あるいは圧力に対して剛性をあげ、所望の機能を有するよう形状を形成して実装する実装方法である。
　あるいは、光学素子の実装時に冷却や加熱、保持により光学素子にかかる応力または圧力を予め計測ないし予測し、実装時において予め計測ないし予測した応力または圧力が光学素子にかかるときに、所望の機能を有する形状となるよう、予め光学素子を歪ませて形状を形成して実装する実装方法である。
　また、冷却または加熱機構が粘性流体を用いる場合には粘性流体の圧力を制御し、ペルチェ素子を用いる場合には、ペルチェ素子の物質の線膨張係数と光学素子の材料の線膨張係数を同程度のもので構成して実装する実装方法である。
　本発明の実施形態の一例は、さらに以下のような構成を備えることもできる。
（構成１）
　光学素子を保持する機構に実装する実装方法であって、
　予め前記光学素子に加わる応力に合わせ、前記光学素子を変形させることなく、あるいは変形を抑えて所望の性能が得られるように、前記光学素子の形状を形成する
ことを特徴とする光学素子の実装方法。
（構成２）
　前記光学素子の機能を有する部分と有しない部分の厚さを変えることにより、前記光学素子の歪みを防ぐ
ことを特徴とする構成１に記載の光学素子の実装方法。
（構成３）
　光学素子を保持する機構に実装する実装方法であって、
　予め実装状態において前記光学素子に加わる応力に応じた変形を計測ないし予測し、予め意図的に前記変形を打ち消すように歪ませ、実装時に所望の性能が得られるように、前記光学素子の形状を形成する
ことを特徴とする光学素子の実装方法。
（構成４）
　冷却または加熱機構を共に用いる光学素子の実装方法であって、
　前記冷却または加熱機構に用いられる材料の線膨張係数と、光学素子の材料の線膨張係数をほぼ同値にすることで、光学素子の変形を防ぐ
ことを特徴とする光学素子の実装方法。
（構成５）
　粘性流体を用いる冷却または加熱機構と共に用いる光学素子の実装方法であって、
　前記粘性流体の駆動圧力によって前記光学素子が変形しての性能が損なわれないように、前記光学素子の機能を有する部分と有しない部分の構造を変える
ことを特徴とする光学素子の実装方法。
（構成６）
　粘性流体を用いる冷却または加熱機構を構成する粘性流体保持部と共に用いる光学素子の実装方法であって、
　前記粘性流体保持部における粘性流体の流入口または流出口の断面積、流路長のすくなくともいずれか、または全てを調整することにより、光学素子が変形しない圧力となるように設定する
ことを特徴とする、光学素子の実装方法。
（構成７）
　光学素子を保持する機構に実装する実装方法であって、
　前記光学素子の保持点を含む光学素子の外周部分の厚さを増し、保持力により前記光学素子を歪ませることなく温度変化や振動の影響を受けない光学系を構築する
ことを特徴とする、光学素子の実装方法。
　以上記載した光学素子の実装方法により、冷却または加熱方法によって圧力または応力をうけて反るなどして、焦点距離が変化することを防止できる光学素子の実装が実現可能となる。
従来の光学素子の一例として、反射型回折光学素子の実装例を説明する図である。 従来の粘性流体での冷却による冷却機構の立体図および断面図である。 本発明の実施形態１を示す光学素子の立体図および断面図である。 本発明の実施形態２を示す光学素子の立体図および断面図である。
　以下、本発明の実施例を詳細に説明する。
　図２の冷却機構において、粘性流体４０１の流出口２０５から図示しないホースなどの管路を通過して、粘性流体の温度を制御する恒温槽に粘性流体を回収し、そこから再び管路に粘性流体を送り込み、図２の流入口２０４から粘性流体４０１を容器２０３に流れ込ませる循環型の系を考える。このような循環型の系における、流出口２０５（大気圧を仮定）から粘性流体４０１を流出させるのに必要な流入口２０４での駆動圧力：Ｐｏｕｔは、ベルヌーイの定理を応用し、以下の式で計算できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
            ・・・式（１）
　この式（１）で、第一項はベルヌーイの定理から決まるいわゆる動圧であり、第二項は流路を通過するのに必要な全圧力損失、第三項は静圧である。また、流路面積は流出口２０５の断面積、密度は粘性流体の密度、流出係数は粘性流体によって決まる比例係数である。
　流入量と流出量が例えば毎秒２リットルと同じであれば、図２の粘性流体４０１の圧力は上記Ｐｏｕｔとほぼ同じであるから、光学素子１０１にはＰｏｕｔが加わる。本発明では、このような圧力に対して、光学素子の変形を抑える実装を実現する。
　図３は、本発明の実施形態１を示す光学素子の立体図（ａ）および断面図（ｂ）である。図３（ａ）および（ｂ）で、光学素子としての機能を有する面、例えば、平面鏡であれば鏡であり、回折光学素子であれば微細加工が施されている面は、中央部の円形の薄く形成された機能面１０２（光学素子の機能を有する部分）であり、周囲の光学素子の機能を有しない非機能面１０３（光学素子の機能を有しない部分）より厚さを薄く形成してある。
　図３に示す本発明の実施例１の実装方法に用いる構成の光学素子では、光学素子の非機能面１０３の厚さが、上記Ｐｏｕｔによって反りを生じない、あるいは変形を抑えることが可能な厚さにしてあり、これが冷却機構２０１に実装されている。このとき、実装において光学素子１０１が冷却機構の枠部品２０２によって押さえられて保持されるわけであるが、当然、この実装に伴う圧力または応力によっても、光学素子に歪みが生じない、あるいは変形を抑えるよう、光学素子の機能を有しない面１０３が形成されている。目安となる変形の大きさの限度は、例えば光学素子の曲率半径にして数十メートルの程度である。
　あるいは、光学素子において、光学素子として機能する部分を薄くし、且つ、その周辺部分を厚くする、あるいは逆に、光学素子として機能する部分を厚く、その周辺部分を薄くすることで、光学素子にかかる応力あるいは圧力に対して全体として剛性をあげ、所望の機能を有するよう形成して実装することができる。
　言い換えれば、光学素子を保持する機構に実装する際に、予め光学素子に加わる応力に合わせ、光学素子を変形させることなく、あるいは変形を抑えて所望の性能が得られるように光学素子の形状を形成することが本発明の要点であり、例えば光学素子の機能を有する部分と有しない部分の厚さを変えることにより、全体として剛性をあげ光学素子の歪みを防ぐことができる。
　上記の構成で光学系に配置し、１０ｋＷのレーザー光を使い加工を行った結果、熱レンズ効果は発生せず、所望の精度で加工を行うことができた。
　図４には、本発明の実施例２の実装方法に用いる光学素子の立体図（ａ）および断面図（ｂ）を示す。図２の従来構成の冷却機構において、実施例１と同様の圧力が光学素子１０１に加わる場合に、光学素子１０１に平面鏡を用いると、光学素子は厚さ数ｍｍの金属製であるため、実施例１の圧力では凸面鏡のような形状に反ってしまい、平面鏡としての機能を発揮しない。
　そこで図４に示す本発明の実施例２の光学素子の実装方法では、実装状態において光学素子にかかる圧力・応力による光学素子の変形を計測、ないし光学素子の材料である金属の物性値などから変形を計算して予測し、実際の実装時、使用時に圧力・応力がかかった場合にも平面鏡として動作するよう、予め凹面鏡のような形状で光学素子を形成し、これを冷却機構に実装した。
　図４では図３と同様に、機能面１０２は光学素子の機能を有する部分であり、非機能面１０３は光学素子の機能を有しない部分である。図３の実施例１では部分に応じて厚みを変え、光学素子の全体としての剛性を上げるように構成したが、図４の実施例２では剛性を上げるのではなく、予め変形を逆に折り込んだ形状で形成しておき、実装されて圧力などがかかった動作時、使用時には変形が打ち消されて所望の最適形状となるように形成して実装している。
　予め実装状態において前記光学素子に加わる応力に応じた変形を計測ないし予測し、予め意図的に前記変形を打ち消すように歪ませ、実装時に所望の性能が得られるように、前記光学素子の形状を形成する光学素子の実装方法であるということもできる。
　この実施例２による光学素子の実装方法は、冷却機構による応力や変形だけでなく、例えばヒータや加熱流体などの保温・加熱機構による応力や変形に対しても同様に適用することができる。
　以上の構成で、１０ｋＷのレーザー光を用いて加工を行った結果、実施例２の光学素子は所望していた平面鏡として動作し、また、熱レンズ効果を生じずに所望の加工を行うことができた。
　本発明の実施例３の実装方法では、冷却機構として電流で温度を制御するペルチェ素子を光学素子の裏面に張り付けて、光学素子の温度上昇を抑制する実装方法を採用している。
　しかしながら、光学素子の熱による線膨張係数とペルチェ素子に用いられているセラミクスの線膨張係数とが異なったため、熱応力が発生し光学素子に反りが生じ、所望の光学系を構築できなかった。
　そこで、実施例３の実装方法では、光学素子の材料を変えて、ペルチェ素子のセラミクスと線膨張係数をほぼ同じ値の材料にそろえた。この結果、光学素子は反ることがなく、所望の光学系が構築できた。冷却または加熱機構に用いられる材料の線膨張係数と、光学素子の材料の線膨張係数をほぼ同値にすることで、光学素子の歪を防ぐものである。線膨張係数をほぼ同値とみなせる範囲は、２つの材料の厚みなどにも依存するので一意には決まらないが、一般に厚いほど反りや歪みは抑えることができ、同値にみなせる範囲は広くできる。
　この本実施例による光学素子の実装方法は、冷却機構による応力や変形だけでなく、例えばヒータや加熱流体などの保温・加熱機構による応力や変形に対しても同様に適用することができる。
　実施例１の構成においては、回折光学素子を冷却機構に実装して使用したが、圧力により反りが発生し凸面鏡のような状態になり、焦点距離が３０ｃｍから１０ｃｍほど長くなった。このため、焦点を合わせるために光学素子を移動させる機構が必要となり、装置が大型化していた。
　そこで、本発明の実施例４の実装方法では、この反り（曲率半径）を予め計算し、その曲率半径のときに焦点距離３０ｃｍとなるよう、回折光学素子を作製し、実装して使用した。この結果、圧力がかかった使用時にも焦点距離３０ｃｍで加工が可能となり、光学素子の移動機構も不要となった。
　この本実施例による光学素子の実装方法は、冷却機構による応力や変形だけでなく、例えばヒータや加熱流体の保温・加熱機構による応力や変形に対しても同様に適用することができる。
　本発明の実施例５の実装方法では、実施例１の構成において、冷却機構の駆動圧力Ｐｏｕｔの式（１）における流路面積を大きくする、または、流路長を短くする、あるいはその両方を行うことにより、同じ流量で冷却能力を維持しつつ、光学素子にかかる圧力を小さくした結果、光学素子が反らず、所望の加工を実現できた。
　粘性流体の流入口または流出口の断面積、流路長の少なくともいずれか、または全てを調整して構成することにより、光学素子が変形しないような圧力に設定する、光学素子の実装方法である。
　この本実施例による光学素子の実装方法は、冷却機構による応力や変形だけでなく、例えばヒータや加熱流体などの保温・加熱機構による応力や変形に対しても同様に適用することができる。
　冷却機能は必要としないが、光学素子の大きさが例えば直径２０ｃｍ以上と大きい場合には、これを温度変化や振動の影響を受けないよう保持するためには数十ニュートン以上の保持力が必要であるが、この保持力では光学素子が歪むことが分かっている。
　そこで、本発明の実施例６の実装方法では、光学素子の保持点を含む光学素子の外周部分の厚さを増し、保持力により光学素子を歪ませることなく温度変化や振動、保持力の影響を受けない光学系を構築した。
　以上のように、本発明の光学素子の実装方法では、冷却または加熱機構の駆動圧力または熱応力、保持力などにより光学素子が変形して、光学素子の特性が変化することを防止できる光学素子の実装が可能となった。
１０１…光学素子
１０２…機能面（光学素子の機能を有する部分）
１０３…非機能面（光学素子の機能を有しない部分）
２０１…冷却または加熱機構
２０２…枠部品
２０３…粘性流体保持部（容器）
２０４…流入口
２０５…流出口
３０１…入射光
３０２…反射光
３０３…回折光（光強度分布）
４０１…粘性流体















 

Claims (7)

  1. 　光学素子を保持する機構に実装する実装方法であって、
    　予め前記光学素子に加わる応力に合わせ、前記光学素子を変形させることなく、あるいは変形を抑えて所望の性能が得られるように、前記光学素子の形状を形成する
    ことを特徴とする光学素子の実装方法。
  2. 　前記光学素子の機能を有する部分と有しない部分の厚さを変えることにより、前記光学素子の歪みを防ぐ
    ことを特徴とする請求項１に記載の光学素子の実装方法。
  3. 　光学素子を保持する機構に実装する実装方法であって、
    　予め実装状態において前記光学素子に加わる応力に応じた変形を計測ないし予測し、予め意図的に前記変形を打ち消すように歪ませ、実装時に所望の性能が得られるように、前記光学素子の形状を形成する
    ことを特徴とする光学素子の実装方法。
  4. 　冷却または加熱機構を共に用いる光学素子の実装方法であって、
    　前記冷却または加熱機構に用いられる材料の線膨張係数と、光学素子の材料の線膨張係数をほぼ同値にすることで、光学素子の変形を防ぐ
    ことを特徴とする光学素子の実装方法。
  5. 　粘性流体を用いる冷却または加熱機構と共に用いる光学素子の実装方法であって、
    　前記粘性流体の駆動圧力によって前記光学素子が変形しての性能が損なわれないように、前記光学素子の機能を有する部分と有しない部分の構造を変える
    ことを特徴とする光学素子の実装方法。
  6. 　粘性流体を用いる冷却または加熱機構を構成する粘性流体保持部と共に用いる光学素子の実装方法であって、
    　前記粘性流体保持部における粘性流体の流入口または流出口の断面積、流路長のすくなくともいずれか、または全てを調整することにより、光学素子が変形しない圧力となるように設定する
    ことを特徴とする、光学素子の実装方法。
  7. 　光学素子を保持する機構に実装する実装方法であって、
    　前記光学素子の保持点を含む光学素子の外周部分の厚さを増し、保持力により前記光学素子を歪ませることなく温度変化や振動の影響を受けない光学系を構築する
    ことを特徴とする、光学素子の実装方法。
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