CN106094161A - 一种变曲率反射镜装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变曲率反射镜装置，包括反射镜组件和气动驱动组件；反射镜组件包括反射镜本体和支撑底盘；反射镜本体和支撑底盘之间设置有气腔；支撑底盘上设置有压缩空气进气孔、排气孔和压力传感器采样孔；气动驱动组件包括空气压缩机、压力传感器、比例阀、开关阀和工控机；空气压缩机用于为反射镜组件的气腔提供压缩空气；压力传感器用于监测气腔内的空气压力；工控机用于控制气腔内的驱动气压；开关阀用于控制压缩空气进气孔的开启或关闭；比例阀用于控制压缩空气的进气量。本发明实现曲率变化的同时也能够获得高精度的面形保持效果，使变曲率反射镜技术可以应用到对面形精度保持要求更高的可见光波段变焦成像。

Description

一种变曲率反射镜装置

技术领域

本发明涉及一种变曲率反射镜装置。

背景技术

作为一种主动光学元件，变曲率反射镜的雏形最早可以追溯到1973年耶路撒冷希伯来大学研制的样片。自此以后，前苏联，德国，美国、法国以及中国等各个国家的科研人员均围绕变曲率反射镜技术开展了大量的研究和原型装置的研制工作。

自概念及最初的原型器件提出以来，变曲率反射镜主要应用于提升高能固体激光器的输出光束品质。高能固体激光器工作时的高功率会在谐振腔内产生极高的温度，从而使谐振腔窗口玻璃发生热变形而引入球差及离焦，进而恶化输出光束的品质。变曲率反射镜能够通过改变自身的曲率半径对热透镜效应引起的球差及离焦进行有效补偿，从而达到提升激光器光束品质的目的。近些年的研究表明，变曲率反射镜还能够用于实现一种新型的变焦成像技术——无运动部件变焦。传统变焦技术，无论是机械补偿式还是光学补偿式都依赖镜片或镜组之间的相对运动，在一定程度上限制了其在对空间、功耗以及稳定性等方面要求苛刻的领域中的应用。变曲率反射镜曲率半径的变化对应于光焦度的改变，而局部元件光焦度的微小变化则可以通过光学杠杆效应光学设计被放大为系统焦距的大幅度改变，从而在不依赖宏观运动部件的前提下实现变焦成像。

无论应用于哪里，大的中心形变与形变中的面形精度保持是对变曲率反射镜提出的两点基本要求。对于高能固体激光器而言，由于其工作波长较长，所以对形变后的面形精度的要求相对较低。然而，对于无运动部件变焦成像尤其是可见光波段的应用来说，对反射镜形变之后的面形精度的要求大大提高，而反射镜的结构及驱动方式共同决定了中心形变大小及形变后的面形精度保持情况。

根据薄板弹性理论，等厚的反射镜要实现曲率半径的变化，最简单的方式就是单点直接作用于反射镜中心有限大小的区域上(该区域等效半径远小于反射镜半径)。然而这种驱动方式在全反射镜口径范围之内既不能产生球面变形，也无法产生抛物面变形，且驱动力越大，与曲率变化所要求的理想面形改变相差就越远，因此实际中很少使用。实际上，同样根据薄板弹性理论，利用推力环支撑环两环结构对在反射镜边缘施加纯粹扭矩的曲率变化模型进行等效，将极大地消除点驱动曲率变化模型存在的弊端。尽管推力环之外的区域由于剪切应力的影响会叠加其他的面形模式从而偏离标准球面或抛物面，但是推力环之内的区域可以实现纯粹的曲率变化。

美国Sandia国家实验室作为当今该领域研究的领跑者，正是利用这种环形线负载驱动机理实现反射镜的曲率变化。包括本发明申请人所在的课题组在内，中国的多个科研机构都仿效类似的机理进行了原型装置的研制，但是研究表明：等厚反射镜在环形线负载的驱动下能实现曲率的变化，但是却不易实现大形变时的面形精度保持，而且这种情况在反射镜的口径及径厚比较大的情况下越发凸显。究其原因有以下几点：

(1)环形线负载驱动依然属于直接接触式力驱动，必然在反射镜的表面引起应力累积，而且不同区域产生的压应力分布是不均匀的。根据研究，应力较为集中的区域位于推力环覆盖的能产生纯粹曲率变化的镜面有效区域，此时由于反射镜的厚度分布恒定不变而无法对非均匀的应力分布做出差异响应，因而在形变较大的时候会导致面形精度的迅速退化。当反射镜的口径及径厚比较大时或者驱动力增加以获得更大的中心形变时，反射镜表面应力的累积将对面形精度的保持形成严重的阻碍。

(2)环形线负载曲率变化模型要求反射镜的边缘处于简支状态，而最简单的实现简支的方法就是令反射镜与支撑结构之间相互独立，从而允许反射镜沿径向自由伸缩。然而，这种方式要求反射镜、驱动单元与镜筒的中心轴高度共线，否则当反射镜曲率变化时，反射镜与镜筒之间就会产生间隙，三轴之间的不共线会使反射镜沿与中心轴垂直的平面侧向滑动，从而引入非对称的驱动，进而破坏反射镜的面形精度。此外，如果发生侧向滑动，就意味着反射镜在一些位置处还会受到来自镜筒结构的挤压，会更加恶化反射镜的面形精度。

发明内容

为了解决现有的环形线负载驱动实现反射镜曲率变化模型存在的反射镜面形保持精度差的技术问题，本发明提供一种气动驱动厚度渐变的变曲率反射镜装置。

本发明的技术解决方案是：一种变曲率反射镜装置，其特殊之处在于：包括反射镜组件和气动驱动组件；

所述反射镜组件包括反射镜本体和支撑底盘；所述反射镜本体和支撑底盘之间设置有气腔；所述支撑底盘上设置有压缩空气进气孔、排气孔和压力传感器采样孔；

所述气动驱动组件包括空气压缩机、压力传感器，比例阀、开关阀和工控机；空气压缩机用于为反射镜组件的气腔提供压缩空气；压力传感器用于监测气腔内的空气压力；工控机用于控制气腔内的驱动气压；开关阀用于控制压缩空气进气孔的开启或关闭；比例阀用于控制压缩空气的进气量。

上述反射镜本体包括中心厚边缘薄的渐变厚度反射镜。

上述渐变厚度反射镜的厚度分布方程为y＝t₀·[1-k·(2r/D)^m]ⁿ；其中，t₀是反射镜的中心厚度，r是反射镜球面的极坐标半径，D是反射镜的口径，k、m与n是用于控制反射镜厚度分布形式的常数。

上述反射镜本体还包括环形支撑壁和环形中空基座；所述环形支撑壁是位于渐变厚度反射镜和环形中空基座之间的薄壁圆筒形结构；所述环形中空基座底部与所述支撑底盘粘接。

上述气动驱动组件还包括位于空气压缩机和反射镜组件之间的空气净化器。

上述气动驱动组件的压强控制精度为0.001MPa。

上述反射镜本体由金属材料通过一体化成型加工获得。

上述反射镜本体的工作表面为光学镜面，反射镜本体的其余外露面研磨至亚微米精度；所述气腔的内表面达到细磨准抛光水平。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明是针对环形线负载驱动实现反射镜曲率变化模型存在的问题而提出的改进措施，实现曲率变化的同时也能够获得高精度的面形保持效果，使变曲率反射镜技术不但可以更好地应用于高能固体激光器因热透镜效应而引起的离焦及球差的补偿，而且可以应用到对面形精度保持要求更高的可见光波段变焦成像。

(2)本发明中的反射镜的边缘非常薄，所以良好的弹性满足形变时所需的近似无约束状态。当反射镜厚度从常规的等厚分布变为由中心向边缘逐渐减小并且按照特定函数分布的形式以后，此时均匀气压驱动所带来的集中压应力区域从镜面有效区域转移到了反射镜本体中的超薄环形金属支撑壁，从而降低了反射镜工作表面面形精度退化与中心形变的相关性。因此，本发明通过解决环形线负载驱动曲率变化模型存在问题的基础上，真正实现了兼顾大的中心形变与高精度的面形保持的目的，具有应用于可见光波段实现无运动部件变焦成像的可能。

(3)本发明所使用的反射镜组件中，构成反射镜本体的三个部分是通过镜坯的一体化成型加工而形成的一个整体，所以曲率变化时反射镜能够保持其空间位置的稳定，从而消除了侧向滑动的可能。

(4)本发明所提供的气动驱动结合渐变厚度反射镜设计的曲率变化模型在接近全口径的范围内都能够实现纯粹的曲率变化。

附图说明

图1为环形线接触负载驱动曲率变化机理示意图；

图2为本发明给出的变曲率反射镜装置的结构框架示意图；

图3为本发明给出的的反射镜组件结构示意图；

图4为特定参数下的反射镜厚度分布曲线；

图5为本发明给出的的反射镜组件应力分布情况示意图；

图6为等厚反射镜经环形线负载驱动时对应的应力分布情况示意图。

具体实施方式

美国论文“Appl.Phys.B 82,275–281(2006)”、中国专利CN201010108376.6和中国论文“光学精密工程，18(8)：1781-1787，2010”中所公开的变曲率反射镜装置均是采用如图1所示的基于环形线负载驱动机理的包括有推力环1和支撑环2构成的两环结构驱动模型。本发明是通过采用气动均匀压力驱动替代环形线负载驱动，反射镜在全口径范围以内不但可以实现大尺度的纯粹的曲率变化，而且能够始终保持面形精度处于较高的水平。

参见图2，本发明给出的变曲率反射镜装置是由反射镜组件3以及气动驱动组件4两个部分组成的。其中，气动驱动组件4包括空气压缩机41、压力传感器42、比例阀43、开关阀44以及工控机45五个部分。空气压缩机41用来产生驱动反射镜形变的压缩空气；开关阀44的作用是控制压缩空气是否被允许进入反射镜组件的气腔；比例阀43用来实现高精度的压缩空气进气量控制；压力传感器42实时监测反射镜组件气腔的空气压力；工控机45接收开关阀44和比例阀43的信号，用以设定所需驱动气压。通过压力传感器42，气动驱动组件形成一个闭环反馈，使反射镜组件气腔的气压稳定于设定值。另外，空气压缩机41和反射镜组件3之间还可以设置空气净化器46。

参见图3，本发明较佳实施例的反射镜组件3是由带有支撑结构的反射镜本体与经过减重处理的支撑装置组成，两个部分采用相同的金属材料，通过粘接工艺形成一个带有气腔的整体。将反射镜组件3平放，那么反射镜本体从上到下就可以划分为三个区域，即超薄反射镜31，薄壁金属支撑环32以及环形中空基座33。这三个区域通过镜坯的一体化成型加工形成一个整体。其中，金属支撑环32的一端与反射镜31边缘相连，另外一端与环形中空基座33相连，而环形中空基座33与支撑底盘34粘接；金属支撑环32的内径与环形中空基座33内径相同，而外径则与反射镜31口径相同；环形中空基座33的壁厚远大于金属支撑环32的壁厚，所以刚性最强。支撑底盘34的外径与环形中空基座33的外径相同，并且在四周呈90°分布有三个直径6mm的功能孔洞，分别为压缩空气进气孔、保障安全的排气孔以及压力传感器所需的采样孔。反射镜组件所有的部件均采用同样的金属材料，除了反射镜工作表面达到光学镜面要求之外，其余外露表面通过研磨达到亚微米精度，而气腔的内表面则需要达到接近细磨准抛光水平以保证气动的均匀性。

本发明所提出的变曲率反射镜装置与常见的环形线负载驱动变曲率反射镜装置相比最大的差别在于两点：

第一，将反射镜的厚度分布从等厚恒定分布变为由中心向边缘逐渐减小的分布，对应于反射镜将具有可变的刚性，意味着反射镜中心区域与边缘区域相比具有更高的抗压形变能力，有利于保持面形精度。图4给出了几组典型参数下反射镜厚度分布曲线的对比情况，其中中心厚度为8mm，反射镜的口径为135mm，曲线a对应的(k、m、n)为(0.8、2、0.33)，曲线b对应的(k、m、n)为(0.85、2.2、0.35)，曲线c对应的(k、m、n)为(0.78、1.8、0.3)。显而易见，无论选择怎样的参数，反射镜的厚度变化都遵循这样一个规律，即由中心向边缘厚度的减小速率逐渐增加。尽管理论上可以将反射镜的边缘厚度设定为零使其满足理想的简支条件，但是由于不具有物理上的可实现性，所以实际应用时的反射镜边缘依然具有能够通过现有工艺获得的非常小的厚度值。此外，通过整体建模分析及优化设计，可以人为地改变反射镜中心区域及边缘区域的厚度变化速率，从而实现抗压能力的控制。

第二，气动驱动与环形线负载驱动相比，压力均匀的施加于整个反射镜的背部，对反射镜的冲击比较小，并使得镜面有效区域产生的压应力较低，所以也利于面形精度的保持。图5和图6给出了气动驱动变厚反射镜结构与环形线负载驱动等厚反射镜结构压应力情况的有限元分析。可以看到，尽管两者都能够实现曲率的变化，气动驱动结合变厚的反射镜设计将高应力集中区域转移到了超薄金属支撑壁上，而环形线负载驱动模型中的高应力分布区域恰好处于镜面的有效工作区域，由此表明，气动驱动结合变厚的反射镜设计具有兼顾大的中心形变和高精度面形保持的潜力，具有应用于可见光波段实现无运动部件变焦成像的可能。

Claims (8)

1.一种变曲率反射镜装置，其特征在于：包括反射镜组件和气动驱动组件；

所述反射镜组件包括反射镜本体和支撑底盘；所述反射镜本体和支撑底盘之间设置有气腔；所述支撑底盘上设置有压缩空气进气孔、排气孔和压力传感器采样孔；

所述气动驱动组件包括空气压缩机、压力传感器、比例阀、开关阀和工控机；空气压缩机用于为反射镜组件的气腔提供压缩空气；压力传感器用于监测气腔内的空气压力；工控机用于控制气腔内的驱动气压；开关阀用于控制压缩空气进气孔的开启或关闭；比例阀用于控制压缩空气的进气量。

2.根据权利要求1所述的变曲率反射镜装置，其特征在于：所述反射镜本体包括中心厚边缘薄的渐变厚度反射镜。

3.根据权利要求2所述的变曲率反射镜装置，其特征在于：所述渐变厚度反射镜的厚度分布方程为y＝t₀·[1-k·(2r/D)^m]ⁿ；其中，t₀是反射镜的中心厚度，r是反射镜球面的极坐标半径，D是反射镜的口径，k、m与n是用于控制反射镜厚度分布形式的常数。

4.根据权利要求2或3所述的变曲率反射镜装置，其特征在于：所述反射镜本体还包括环形支撑壁和环形中空基座；所述环形支撑壁是位于渐变厚度反射镜和环形中空基座之间的薄壁圆筒形结构；所述环形中空基座底部与所述支撑底盘粘接。

5.根据权利要求2所述的变曲率反射镜装置，其特征在于：所述气动驱动组件还包括位于空气压缩机和反射镜组件之间的空气净化器。

6.根据权利要求5所述的变曲率反射镜装置，其特征在于：所述气动驱动组件的压强控制精度为0.001MPa。

7.根据权利要求4所述的变曲率反射镜装置，其特征在于：所述反射镜本体由金属材料通过一体化成型加工获得。

8.根据权利要求7所述的变曲率反射镜装置，其特征在于：所述反射镜本体的工作表面为光学镜面，反射镜本体的其余外露面研磨至亚微米精度；所述气腔的内表面达到细磨准抛光水平。