CN109343213A - 一种基于纳米多层膜的变形反射镜系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于纳米多层膜的变形反射镜系统，包括反射镜面、镜面粘接层、变形驱动层、支撑结构和电控系统，反射镜面基于纳米多层膜研制而成，用于完成对光信号的镜面反射，反射谱段可以根据需求进行设计调整，具有变形能力，能够实现空间与时间上的面形自由校正；镜面粘接层完成反射镜面与变形驱动层的集成连接；变形驱动层是变形反射镜的核心组成部分，根据外部控制信号，输出变形量，完成高精度反射镜面变形，形成面形校正能力；支撑结构是变形反射镜高精度变形部件与外部的结构接口；电控系统用于产生对变形驱动层的高压控制信号适用于各种面临复杂环境条件、高成像质量要求的光学系统，尤其适用于空间光学相机/望远镜。

Description

一种基于纳米多层膜的变形反射镜系统
技术领域
本发明涉及自适应光学、能动光学等主动波前校正技术领域，具体涉及一种基于纳米多层膜的变形反射镜系统。
背景技术
在地基望远镜天文观测中，受到大气湍流影响，观测光束通过大气层时产生了相位差。当望远镜口径大于所在站址大气相干长度(在可见光波段，通常为十几厘米)之后，其能量集中能力得到提高，但其观测分辨力不再提高，大口径望远镜能力受到限制。
自适应光学技术有效地解决了这一技术问题，促成了地基大口径天文望远镜的繁荣发展(参见Laird M.Close等，The Magellan telescope adaptive secondary AOsystem，Proc.of SPIE Vol.7015 70150Y-1；Richard M.Myersa等，The NAOMI adaptiveoptics system for the 4.2m William Herschel telescope)。
另一方面，自Hubble太空望远镜后，下一代空间天文望远镜的口径越来越大。与地基望远镜不同，空间望远镜不受大气湍流的负面影响，但受到运载设备的能力限制以及地面模拟太空环境研制成本的限制，由此带来系统内部误差的问题。其误差来源主要包括：光学镜面加工误差、支撑结构重力卸载误差、热稳定误差和平台稳定残差等。其中光学加工误差和支撑结构重力卸载误差为静态误差，望远镜系统入轨稳定后不在变化；热稳定误差为准静态误差，若望远镜处于低地球轨道，其变化周期不会小于轨道运行周期；对于大口径空间天文望远镜，平台稳定残差主要集中在2Hz以下，可以归属于准静态误差；与大气湍流相比，这些系统内部误差的空间频率也较低。
目前，正在研制的詹姆斯·韦伯(JWST)太空望远镜是人类已经进入实施阶段的最大空间望远镜，为了解决运载设备包络限制问题，采用了折叠发射、在轨展开的技术方案。该方案中的系统误差还包括不同主镜分块之间的共相误差，研究人员通过每块主镜后面的六自由度调整系统完成共相误差的校正。在单块子镜面形校正方面，由于技术局限，仅采用了一个驱动器进行镜面半径校正，于是JWST的分块主镜在地面加工、集成和测试阶段仍然有很严格的公差要求(参见JONATHAN P.GARDNER等，THE JAMES WEBB SPACE TELESCOPE，Space Science Reviews(2006)123:485–606，DOI:10.1007/s11214-006-8315-7；PhillipA.Sabelhaus等,An Overview of the James Webb Space Telescope(JWST)Project，Proceedings of SPIE Vol.5487，550-563，doi:10.1117/12.549895)。JWST空间望远镜还采用了快速倾斜反射镜完成平台控制残余误差的校正。
JWST之后的空间望远镜发展计划，最突出的是Advanced Technology Large-Aperture Space Telescope(ATLAST)，同样采用了与JWST类似的折叠发射，在轨展开的技术方案(参见Bert A.Pasquale等，Comparative Concepts for ATLAST Optical Designs，Proc.of SPIE Vol.7731 77312L-1，doi:10.1117/12.857170)。
JWST和ATLAST空间望远镜采用的刚性镜面、折叠发射在轨展开的技术方案提供了一个运载设备口径限制和空间望远镜系统误差实时校正问题的解决途径，但具有以下不足：
1、单个子镜面变形自由为1，无法适应更多的误差源；
2、刚性镜面变形量有限，对地面所有研制环节的公差要求十分严格；
3、为了保证在轨运行时不超差，测试阶段的环境条件模拟要求完备并精确，要求对更多试验矢量进行直接测试；
4、镜面面密度无法进一步降低，JWST空间望远镜采用的铍金属镜面是经过技术遴选后的具有最大比刚度的镜面材料，轻量化后的成品面密度不满足下一代更大口径空间望远镜的需求。
本发明所述基于纳米多层膜的变形反射镜系统，其基础面形可以是平面、凹面、凸面，利用其自身面形校正能力，可以在研制各阶段放宽公差要求，降低生产成本；其反射面由增材纳米多层膜工艺研制完成，其生产效率远高于传统镜面切削加工工艺；所组成的反射镜面面密度低于现有各类工艺所能达到的水准，满足下一代大口径空间望远镜的应用需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：
所述基于纳米多层膜的变形反射镜系统解决的技术问题主要包括四点：降低面密度、面形可变、基础面形公差降低、加工效率提高。作为反射面的纳米多层膜由增材制造技术获得，其厚度可以根据系统需求减薄至微米量级，具有传统光学镜面所不可比拟的轻量化优势，将镜面粘接层、变形驱动层和支撑结构等部件计入后，面密度低于10kg/m2，尚未见其它技术手段可以达到此目标；与传统变形镜不同，镜面基础面形不限于平面，因此适用于光学系统中任意位置，无需为了满足共轭关系添加复杂的中继光学系统，变形驱动层具有很大的动态范围和很高的精度；光学镜面的成本与加工、装调误差要求直接相关，具有变形能力的镜面可以大大放宽基础面形的加工公差要求和装调测试阶段的模拟试验矩阵取样密度要求，是低成本望远镜的有效途径；反射镜面的加工是传统光绪加工工艺中时间和成本的主要消耗环节，本发明所述变形镜系统利用增材技术制造反射镜面，其面形可在短时间完成制造，甚至可以复制，不需要后续光学加工，提高产品效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于纳米多层膜的变形反射镜系统，包括反射镜面、镜面粘接层、变形驱动层、支撑结构和电控系统，反射镜面基于纳米多层膜研制而成，用于完成对光信号的镜面反射；镜面粘接层完成反射镜面与变形驱动层的集成连接；变形驱动层是变形反射镜的核心组成部分，根据外部控制信号，输出变形量，完成高精度反射镜面变形，形成面形校正能力；支撑结构是变形反射镜高精度变形部件与外部的结构接口，保障变形反射镜的力学和机械性能，还可为面形校正提供参考基准；电控系统用于产生对变形驱动层的高压控制信号，要求具有特定的工作频率、输出噪声和驱动功率。
其中，反射面由增材纳米多层膜直接加工而成，用于完成对光信号的镜面反射，其反射率、表面粗糙度、表面曲率半径等参数一次满足光学望远镜需求，无需进行光学加工，具有很高的研制效率；反射谱段可以根据需求进行设计调整，面形可被改变，能够实现空间与时间上的面形自由校正。
其中，反射面初始面形可以是平面、凹面、凸面、自由曲面(根据光学设计要求，将较大的高阶面形数据纳入初始面形)。
其中，镜面粘接层用于完成纳米多层膜与变形驱动层的固连，具有复杂力学环境与温度环境下的光学稳定性，不产生低频与高频空间误差，不产生非线性变形效应。
其中，变形驱动层具有多种实现途径，可以是连续的驱动器、也可以是分离的驱动器阵列，可以是利用压电效应等物力原理实现高精度变形的驱动器、也可以是高精度位移式(或力驱动式)驱动器，具备高速响应能力和断电面形保持能力。变形驱动层能够实现1nm级高精度、10μm级大行程面形校正，其校正空间频率可以根据系统需求进行设计。
其中，变形驱动层可以是各种驱动原理的驱动器，具备高速响应能力和断电面形保持能力。
其中，支撑结构是变形反射镜与外部的机械接口，完成必要的防护(力学、洁净、电磁等)，其材料不限；在需要时，面形参考基准由支撑结构提供。
其中，包括反射镜面、镜面粘接层、变形驱动层、支撑结构的变形反射镜镜体部分面密度可以低至10kg/m2以下，且具备20nm(RMS)面形精度；在加工设备能力许可的前提下，其镜面口径不受限。
本发明与现有技术相比有如下优点：
1、本发明获得了一种基础面形可以不受约束、面形可随时间和空间改变、面密度极低(≤10kg/m2)的光学镜面系统。
2、本发明中变形镜镜面面形可以是平面、凸面或凹面，使其可以应用在光学系统中的任意位置，无需复杂的中继光学系统。
3、本发明中的反射镜面由增材制造的纳米多层膜形成，其技术特点是研制周期短、具备可复制性、无需光学加工，可以大大提高生产效率。
4、本发明极大地降低了望远镜光学镜面(尤其是空间望远镜)在研制阶段的加工、调试和测试成本。
5、本发明可以使镜面的公差要求大幅度放松，使一些不可实现的望远镜系统变得可以实现。
附图说明
图1为一种基于纳米多层膜的变形反射镜系统示意图，其中，1为反射镜面；2为镜面粘接层；3为变形驱动层；4为支撑结构；5为电控系统；
图2为变形驱动层示意图；
图3为本发明实施例；
图4为本实施例所采用的双压电驱动工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。
如图1所示，本发明一种基于纳米多层膜的变形反射镜系统，包括反射镜面1、镜面粘接层2、变形驱动层3、支撑结构4和电控系统5。变形反射镜镜体部分(包括反射镜面1、镜面粘接层2、变形驱动层3、支撑结构4，不包括电控系统5)面密度可以低至10kg/m2以下，且具备20nm(RMS)面形精度；在加工设备能力许可的前提下，其镜面口径不受限。
反射镜面1基于纳米多层膜技术研制而成，用于完成对光信号的镜面反射，其反射率、表面粗糙度等一次满足光学望远镜需求，不再进行光学加工。纳米多层膜由两种不同的材料交替沉积，使其呈现外延生长，实现超晶格强化，要求选取的两种具有不同剪切模量、相同(相近)热膨胀系数。此外，纳米多层膜每一调制层的厚度应当足够小，在外加应力的作用下，较软材料中产生的位错将向界面移动，因此多层膜的强度会得到很大的提高。纳米多层膜制备技术不仅可以满足光学镜面的要求，还对其表面曲率半径、产品口径等参数没有限制，可以满足多种应用需求。
镜面粘接层2完成反射镜面与变形驱动层的集成连接，具有复杂力学环境与温度环境下的光学稳定性，不产生低频与高频空间误差，不产生非线性变形效应。
变形驱动层3是变形反射镜的核心组成部分，根据外部控制信号，输出变形量，完成高精度反射镜面变形，形成面形校正能力(参见图2)；变形驱动层具有多种实现途径，可以是连续的驱动器、也可以是分离的驱动器阵列，可以是利用压电效应等物力原理实现高精度变形的驱动器、也可以是高精度位移式(或力驱动式)驱动器。这些不同技术途径实现的驱动层，其共同点是能够实现高精度(1nm级)、大行程(10μm级)面形校正，其校正空间频率可以根据系统需求进行设计，具备高速响应能力和断电面形保持能力。
支撑结构4是变形反射镜高精度变形部件与外部的结构接口，保障变形反射镜的力学和机械性能，必要时，还为面形校正提供参考基准。
电控系统5用于产生对变形驱动层的高压控制信号，要求具有特定的工作频率、输出噪声和驱动功率。
以一个口径为150mm的基于纳米多层膜的变形反射镜系统为例(参见图3)，其主要技术指标为：
(1)口径：150mm；
(2)曲率半径：R3000mm±20mm；
(3)整镜面密度<10kg/m2；
(4)表面粗糙度RMS<1nm；
(5)面形控制精度RMS<1/20λ(λ＝632.8nm)。
采用低应力纳米多层薄膜制备工艺制备出口径150mm，厚度180μm的无缺陷的连续金属纳米多层膜；通过基片加工以及过渡层工艺的研究，解决了镜面材料表面粗糙度问题。
对胶黏剂选择、粘接工艺、脱模方法进行了严格规范，实现了面形参数要求和表面粗糙度保证。
采用块体压电陶瓷材料减薄及精密抛光技术制备曲面压电陶瓷驱动层结构，整体结构方面可采用双压电片结构实现。所谓双压电片结构，是因其最初的结构而得名：将两片压电材料的薄片按相反的极化方向粘接而成(参见图3)。由于压电材料的横向逆压电效应，在极化方向上施加一定电压就会引起材料沿垂直于极化方向伸展或收缩(视电压极性而定)，如果两片压电材料的伸缩量不一致就会引起结构的弯曲变形。这样，如果进一步将电极划分成不同的区域，通过控制各区域的电压大小和施以特定的边界条件即可实现对面形的控制。
本实施例采用与国外现有方案不同的双压电片结构的能动控制结构，由于镜面层和驱动结构都是薄片式的(镜面材料和驱动结构的直径厚度比都可以做到都只有几百微米量级的厚度)，能够最大限度的降低反射镜的面密度，并且双压电片结构能够提供更多的控制自由度。

Claims (8)

1.一种基于纳米多层膜的变形反射镜系统，包括反射镜面(1)、镜面粘接层(2)、变形驱动层(3)、支撑结构(4)和电控系统(5)，其特征在于：反射镜面(1)基于纳米多层膜研制而成，用于完成对光信号的镜面反射；镜面粘接层(2)完成反射镜面与变形驱动层的集成连接；变形驱动层(3)是变形反射镜的核心组成部分，根据外部控制信号，输出变形量，完成高精度反射镜面变形，形成面形校正能力；支撑结构(4)是变形反射镜高精度变形部件与外部的结构接口，保障变形反射镜的力学和机械性能，还可为面形校正提供参考基准；电控系统(5)用于产生对变形驱动层的高压控制信号，要求具有特定的工作频率、输出噪声和驱动功率。
2.根据权利要求1所述的一种基于纳米多层膜的变形反射镜系统，其特征在于：反射面由增材纳米多层膜直接加工而成，无需进行光学加工，具有很高的研制效率；反射谱段可以根据需求进行设计调整，面形可被改变，能够实现空间与时间上的面形自由校正。
3.根据权利要求1所述的一种基于纳米多层膜的变形反射镜系统，其特征在于：反射面初始面形可以是平面、凹面、凸面、自由曲面。
4.根据权利要求1所述的一种基于纳米多层膜的变形反射镜系统，其特征在于：镜面粘接层用于完成纳米多层膜与变形驱动层的固连，具有复杂力学环境与温度环境下的光学稳定性，不产生低频与高频空间误差，不产生非线性变形效应。
5.根据权利要求1所述的一种基于纳米多层膜的变形反射镜系统，其特征在于：变形驱动层能够实现1nm级高精度、10μm级大行程面形校正，其校正空间频率可以根据系统需求进行设计。
6.根据权利要求1所述的一种基于纳米多层膜的变形反射镜系统，其特征在于：变形驱动层可以是各种驱动原理的驱动器，具备高速响应能力和断电面形保持能力。
7.根据权利要求1所述的一种基于纳米多层膜的变形反射镜系统，其特征在于：支撑结构是变形反射镜与外部的机械接口，其材料不限；在需要时，面形参考基准由支撑结构提供。
8.根据权利要求1所述的一种基于纳米多层膜的变形反射镜系统，其特征在于：包括反射镜面(1)、镜面粘接层(2)、变形驱动层(3)、支撑结构(4)的变形反射镜镜体部分面密度可以低至10kg/m2以下，且具备20nm(RMS)面形精度；在加工设备能力许可的前提下，其镜面口径不受限。
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