提供具有和化學蝕刻有關的高硬度和低慣性的鏡子的系統(tǒng)和方法優(yōu)先權本申請要求于2011年7月29日提交的、序列號為61/513,274的美國臨時專利申請的優(yōu)先權，其全文以引用的方式合并于此。

背景技術：
本發(fā)明總地涉及制造在受限旋轉(zhuǎn)電機系統(tǒng)中的光學元件，特別地涉及制造具有高硬度和低慣性的這種元件。掃描鏡系統(tǒng)通常包括安裝在基底上、或者作為基底的一部分而形成的鏡面，其中基底耦合至電機系統(tǒng)的軸。這種電機連續(xù)運行(例如，與多邊形鏡一起使用)，或者這種電機可以是受限旋轉(zhuǎn)電機從而提供在受限角度范圍內(nèi)的移動。由于這些鏡子要在受限角度范圍內(nèi)進行前、后加速，因此這些應用要求鏡子應盡可能的硬且具有最小的慣性。在典型的受限旋轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)(也稱為檢流計系統(tǒng))中，鏡子被安裝至受限旋轉(zhuǎn)電機的輸出軸，且受限旋轉(zhuǎn)電機由控制環(huán)控制，該控制環(huán)設法使電機的轉(zhuǎn)子且由此使鏡子以任意高的保真度遵循一位置和速度命令波形。然而，該系統(tǒng)遵循該命令的保真度受到一定限制。例如，系統(tǒng)中鏡子的加速受到電機線圈中電流上升速率的限制。位置精確度受到反饋方法的信噪比的限制。系統(tǒng)的帶寬(其在可能的最短時間內(nèi)以期望的高速從位置A移動至位置B、且隨后精確地定位在位置B上的能力)主要受到移動部件中的振動的限制。系統(tǒng)的帶寬額定地是該移動結構中的第一扭轉(zhuǎn)共振的1/2。因此，通常使移動部件在允許的系統(tǒng)慣性的限制內(nèi)盡可能地硬。由于達到特定加速度所要求的電機扭矩與慣性直接成正比，且與電流(如上所述其上升速率受限)成正比，因此，通常當針對特定慣性而優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)時，某元件(典型地為鏡子)即使由非常高硬度-慣性材料制成，其硬度也不滿足實現(xiàn)系統(tǒng)帶寬的目的。這種情況下，需在鏡子上增加額外的材料以增大其硬度，但其代價就是有了額外的慣性，從而需要更大的、更貴的電機以及能夠驅(qū)動該額外的慣性的控制環(huán)。因此，需要一種受限旋轉(zhuǎn)電機系統(tǒng)，其能提供改進的帶寬而無需大型、昂貴的電機和附屬的控制系統(tǒng)。

技術實現(xiàn)要素：
根據(jù)一個實施例，本發(fā)明提供了一種制造用在受限旋轉(zhuǎn)電機系統(tǒng)中的鏡子的方法。所述方法包括下述步驟：提供包括至少一個壁部分的鏡子結構；以及將至少一個壁部分暴露在液體蝕刻劑中從而對鏡子結構進行化學銑削。根據(jù)另一實施例，本發(fā)明提供了一種用在受限旋轉(zhuǎn)電機系統(tǒng)中的鏡子，所述鏡子包括與鏡子的前部相對的背面結構。所述背面結構包括至少一個具有錐形形狀的壁部分，該錐形形狀隨著壁延伸遠離鏡子的前部而逐漸尖細。根據(jù)又一實施例，本發(fā)明提供了一種用在受限旋轉(zhuǎn)電機系統(tǒng)中的鏡子，所述鏡子包括與鏡子的前部相對的背面結構，所述背面結構包括向鏡子提供硬度的特征，這些特征具有在遠離鏡子前部的方向上逐漸減小的厚度。附圖的簡要說明參考下述說明書附圖，能夠進一步地理解下述說明。圖1示出根據(jù)本發(fā)明待加工的受限旋轉(zhuǎn)電機的一部分的圖示性放大圖。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例加工后的受限旋轉(zhuǎn)電機的一部分的圖示性放大圖。圖3示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例待加工的鏡子基底的圖示性前視圖。圖4示出沿圖3中的4-4線截取的圖3所示的鏡子基底的圖示性頂視圖。圖5示出沿圖3中的5-5線截取的圖3所示的鏡子基底的圖示性側截面視圖。圖6示出圖3中示出的鏡子基底的圖示性后視圖。圖7示出圖6中示出的鏡子基底的背面的一部分的圖示性放大圖。圖8A-8C示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例正被加工的鏡子基底的一部分的圖示性放大圖。圖9示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例加工后的鏡子基底的圖示性后視圖。圖10示出圖9中示出的鏡子基底的背面的一部分的圖示性放大圖。圖11示出沿圖9中的11-11線截取的圖9所示的鏡子基底的圖示性側視圖。圖12示出圖9的鏡子基底的圖示性等距視圖。圖13示出使用包括本發(fā)明的鏡子基底的光學元件的受限旋轉(zhuǎn)電機系統(tǒng)的圖示性視圖。附圖僅以示意的目的示出。具體實施方式已知的是，使用某些高硬度且低慣性的材料來制造在使用中移動的移動(或動態(tài))鏡子，諸如在受限旋轉(zhuǎn)電機系統(tǒng)中的鏡子。期望的是，這種鏡子(理想地)具有無窮大的硬度和零慣性，例如鈹，其因為具有高硬度和低質(zhì)量而提供了極好的選擇。還已知有，這種鏡子結構可被機械加工為進一步減少鏡子的質(zhì)量，特別在鏡子的背面上、和離鏡子旋轉(zhuǎn)軸最遠的邊緣附近。這種機械加工被設計為進一步減少鏡子的質(zhì)量而不顯著地降低鏡子的硬度?？紤]這一點，期望的是對鏡子的機械加工使得壁盡可能的薄、但仍保持提供硬度(例如，在蜂窩圖案中)。由于用于鏡子結構的材料具有非常低的比慣性(gm-cm2/單位面積)，因此難以將諸如鈹?shù)倪@種低慣性材料機械加工為極其薄的厚度而不使其破裂。鈹加工起來非常昂貴，且產(chǎn)生有害粉塵。對特定材料而言加工工具一般是專用的，要求不同的速度、供給、滑潤劑、冷卻劑、工具形狀和材料以及涂層。因此，期望的是，加快鈹鏡子的制造速度，且同時克服已知加工工藝的各種限制。圖1示出鈹鏡子基底10，包括壁部分12和底板14，它們在材料移除之后仍在。如現(xiàn)有技術已知的，表示實體模型的計算機文件可被直接轉(zhuǎn)換為加工工具上的加工指令，加工工具在平面上銑削該部件、鉆出縱向孔并且在仍然是當母體鈹塊的表面的一部分的同時執(zhí)行諸如鉆孔和輕敲孔等二次操作。通過將基底10從母體鈹塊中移除可對其進行進一步的處理，在母鈹塊上通過線EDM(放電加工)或電化學鋸割的鋸割工藝將其銑削。一般根據(jù)期望的容差來拋光分離的基底。傳統(tǒng)地，可就這樣進行使用，或是通過電鍍、真空涂層、或兩者一起使用。本發(fā)明旨在用于生成基底自身的工藝過程。對機械加工領域的技術人員而言已知的是，在母體塊的一個面上制造單個基底、或是在母體塊的一個或多個面上制造多個基底、亦或是由單個近網(wǎng)狀模塊制造單個基底都產(chǎn)生相同的結果，因而這些變型例都不背離本發(fā)明的精神和范圍?；拙_的尺寸和形狀、以及鏡子背面上的硬化結構的精確配置都是并不背離本發(fā)明精神和范圍的變型例。加工鈹?shù)囊粋€難題在于，由于加工的壓力及其產(chǎn)生的熱，鈹?shù)谋砻鏁屏?。小心地使用非常鋒利的工具、冷卻液體和在銑削中低于10,000RPM的錠子轉(zhuǎn)速，這些裂紋被限制在表面頂部約10微米。即使如此，在加工之后、使用之前必須將裂紋移除，否則特別是在加速中如果部件承受壓力的時候，它們的長度和深度將會繼續(xù)延伸，直至到達部件的內(nèi)部產(chǎn)生破裂。不幸的是，當鈹?shù)慕孛婧穸缺粐乐亟抵?必須如此以產(chǎn)生鏡子基底需要的低慣性)某些減少的厚度時，在加工過程中截面會彎曲。這種彎曲會導致更深的裂紋。結果，在鏡子基底的構造比例的結構中，最小的截面厚度實際為約0.5mm，如圖1中的d1所示。從而，該截面厚度本質(zhì)上提供了可實現(xiàn)的慣性下限。通過將加工后清潔的部件浸沒在蝕刻溶液中可移除在諸如銑削的加工中產(chǎn)生的表面裂紋，該溶液例如為1份60％濃度的氫氟酸(HF)和9份69％濃度的硝酸(HNO3)或其他合適的蝕刻劑。對于暴露至蝕刻劑的每單位表面，在20C+/-5C的溫度下，材料的移除速率約為18毫米/分鐘。雖然與錠子轉(zhuǎn)速為10000RPM時傳統(tǒng)銑削齒加載5毫米相比、看起來這個速度較慢，但銑削只是在部件的某些地方上單線接觸，而蝕刻卻是在部件的整個暴露表面上同時發(fā)生，因此快很多。通常，由于移除的材料和浸沒時間之間存在線性關系，且攪動槽組分與溫度保持不變，因而借由部件浸沒在槽里的時間足以控制期望的金屬移除深度。然而，隨著背面結構上的任意封閉區(qū)域的深-寬比增大，常規(guī)攪動的有效性降低，蝕刻劑的表面張力趨于將耗盡的化學劑保持在待薄化的壁上。為了更徹底地恢復蝕刻劑的局部效率，需要周期性地沿著壁上下移動蝕刻劑的局部表面，從而隨時間的過去蝕刻劑表面的整體位置類似于抖動時部件從試劑槽的緩慢抽出。換句話說，部件的勻速由出與其上微小的上-下運動的疊加能夠洗去粘附至壁的任何耗盡的化學劑。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，鈹鏡子結構(例如如圖1所示)可在蝕刻劑槽中保持一段延長的時期，例如5-6分鐘，例如最后一分鐘(lastminute)期間基底緩慢地從蝕刻劑槽中移出，如下文所詳細描述的。如此處理之后，鈹結構的截面可被蝕刻至小許多的尺寸，如圖2中的20所示。22示出蝕刻的壁，24示出蝕刻的底板。例如，底板截面的厚度可從d2(例如約0.5mm)減小到d4(例如約0.4mm)。進一步地，壁截面成為錐形，具有為三角形的橫截面形狀。例如，壁截面的厚度可從d1(例如也約0.5mm)減小到變化的厚度，例如從約為0.25mm的最厚部(d3)至可能為零的頂部。這能夠進一步地減少肋條的質(zhì)量，從而減少了部件的慣性，特別地由于從鏡子的旋轉(zhuǎn)軸上進一步地移除了更多的質(zhì)量。通過控制基底從流體槽中移出的速率以及控制基底在流體槽內(nèi)的攪動，可控制錐形形狀，下文將更詳細地描述。測試由這種工藝形成的鏡子，發(fā)現(xiàn)在比慣性方面是特別地低。在該工藝的進一步顯影期間，發(fā)現(xiàn)通過簡單地控制浸沒時間，能夠可靠地將頂部的肋條縮小為線，而不降低其高度(硬度)。肋條橫截面的三角形形狀是由閉合單元里的蝕刻劑局部耗盡造成的。盡管從基底的反射面上移除材料降低了其慣性，但也會降低其硬度；然而，需要一個最小的硬度來支持拋光反射表面期間產(chǎn)生的壓力。為滿足要求，反射面應平坦至所使用的波長的1/4波長或更佳，因而所要求的最小截面厚度(硬度的一階導數(shù)，因此，慣性，所有其它項保持恒定)隨著所要使用的波長而變化。一般地，有必要將鏡子基底加工為截面厚度與所要使用的波長成反比(較短波長的1/4越小，允許偏離平坦面的絕對值越小，因而需要更硬的基底)。圖3-7示出鈹鏡子結構30，具有提供高反射面的前面32和背面34。離鏡子旋轉(zhuǎn)軸(AR)最遠的兩側如35所示那樣減小，且空腔33包含例如公開號為2010/0271679的美國專利申請所披露的鏡子阻尼材料，其全文以引用的方式合并于此。如圖6和7中的36所示，背面34被加工為從區(qū)域36上移除蜂窩圖案的鈹材料，剩下六面且彼此相鄰形成的壁部分38，以減小重量(鑒于移除了材料)且為鏡子提供支撐。如圖8A-8C所示，如上所述將基底40浸沒在蝕刻溶液42中進行處理。在高反射鏡面上提供保護膜44以防止蝕刻高反射鏡面。通過控制基底40與蝕刻溶液42分離的速率，可控制壁46的形狀，以允許壁46在最遠離高反射鏡面的部分最薄。因此，壁的錐形可以為線性或非線性。壁46和底板48仍限定一般的六邊形形狀，但特別是在最遠端為最薄。參考圖9-12，在液體蝕刻劑中經(jīng)過下述化學處理，鏡子結構50的壁部分58和底板59被蝕刻為具有如圖2所示的錐形形狀。特別地，壁部分具有隨著壁遠離鏡子的高反射鏡面延伸而逐漸尖細的形狀。再次地，由于掩模，鏡子50的前側52保持不被蝕刻。如圖9和10所示，由于蝕刻，六邊形壁具有減小的厚度，但同時仍為鏡子提供結構支撐。如圖11和12中的57所示，在遠離鏡子旋轉(zhuǎn)軸(AR)的側邊附近，六邊形壁的高度更低。由于蝕刻工藝快速且無需照看，因而相較于加工離散的單個截面厚度，本發(fā)明非常地經(jīng)濟，即使日后發(fā)現(xiàn)了能夠允許直接加工比現(xiàn)有的更薄的部件的方法，本發(fā)明的方法仍提供了一種更加經(jīng)濟地制造極薄且極低慣性鏡子的途徑。因此在實踐中，銑削單個厚基底或在多個單元上加工，且使用蝕刻處理單個單元以使得最終尺寸滿足特定波長或使用的波長間隔的要求。根據(jù)本發(fā)明的多個實施例，通過蝕刻將鈹鏡子加強肋和/或面的截面減少至期望的厚度，和/或通過遮擋暴露的鏡面以有效地深化肋條而不導致反射面破裂。根據(jù)進一步的實施例，可控制機械攪動的速率以控制蝕刻劑的局部消耗，從而使得三角形截面在開口端更薄。根據(jù)進一步的實施例，可在蝕刻以前遮擋鏡子基底選擇的區(qū)域，以防止蝕刻這些區(qū)域，在進一步的實施例中，蝕刻基底可被加工為均勻的超過規(guī)定尺寸的截面厚度至可變的最終期望的截面厚度。進一步地如圖13所示，在受限旋轉(zhuǎn)電機系統(tǒng)60中，光學元件62(例如，鏡子50)通過鏡子安裝結構66(例如，通過夾具、螺紋安裝結構和/或錐形安裝結構，例如專利號為7,212,325的美國專利，其全文以引用的方式合并于此)耦合至受限旋轉(zhuǎn)電機64，以繞電機旋轉(zhuǎn)軸AR旋轉(zhuǎn)。系統(tǒng)60還包括耦合至反饋控制系統(tǒng)70的位置傳感器68，反饋控制系統(tǒng)70響應于來自輸入節(jié)點74的輸入命令信號和來自位置傳感器68的反饋信號76向電機64提供命令信號72，以控制電機軸的速度和/或位置，從而控制光學元件62。反饋控制系統(tǒng)根據(jù)位置和速度命令波形、以任意高的保真度引起電機的轉(zhuǎn)動，從而使得鏡子轉(zhuǎn)動。然而，系統(tǒng)遵循輸入命令信號的保真度受到一定限制。例如，系統(tǒng)中鏡子的加速受到電機線圈中電流上升速率的限制，且位置精確度受到反饋系統(tǒng)信噪比的限制。系統(tǒng)在最短的時間內(nèi)、以期望的高速將鏡子從位置A移動至位置B且精確地定位在位置B上的能力(系統(tǒng)的帶寬)主要受到移動部件中的振動的限制。提供根據(jù)本發(fā)明的鏡子基底，有利地允許了鏡子硬度極高且慣性低。本領域技術人員可以理解，在不背離被發(fā)明精神和范圍的情況下，可對上述披露的實施例進行各種修改或變型。