CN111352233A - 一种高抗热扰动能力非球面变形反射镜及其研制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种高抗热扰动能力非球面变形反射镜及其研制方法，针对现有自适应望远镜内非球面变形反射镜存在的系统复杂、可靠性及抗热扰动能力较差等问题，包括镜面(13)、驱动器(14)、底座与热沉(15)、外壳(16)。镜面、驱动器、底座与热沉、外壳组装为整体后与支撑机构连接；镜面采用具有整体式极头的厚镜面结构；驱动器采用具有增隔离与导热增强层的叠堆式压电驱动器；底座与热沉采用与镜面匹配的高弹性模量材料及轻量化结构形式；通过镜面‑驱动器‑底座与热沉构成的全固态导热通道，将镜面吸收的热量导入变形反射镜后部处理。最终构建更适用于太阳高分辨力成像、激光传输等高热沉积应用场景的非球面变形反射镜。

Description

一种高抗热扰动能力非球面变形反射镜及其研制方法

技术领域

本发明属于自适应光学波前校正器技术领域，特别涉及一种高抗热扰动能力非球面变形反射镜及其研制方法。

背景技术

变形反射镜是自适应光学系统的核心器件之一，其主要作用是受控生成系统所需面形，以补偿畸变波前，保证系统最佳光学性能。受研制方法与技术水平限制，传统变形反射镜基于平面镜构建，需要复杂的匹配光学系统，以保持系统光学共轭关系(图1)。匹配光学系统增加了望远镜光学与机械结构复杂程度，导致系统体积增大、光能利用率降低，限制自适应光学技术在空间光学及弱、红外目标观测领域内的应用。针对上述问题，天文学家提出利用望远镜光学组件作为变形反射镜的自适应望远镜概念(“ESO Adaptive OpticsFacility”,Proc.SPIE,7015 701524,2008)(图2)。同时具备望远镜光学组件和自适应光学系统变形反射镜功能的非球面变形反射镜成为该新型望远镜研制的关键部件。

专利号为US6293680 B1的美国专利公开了一种基于音圈电机驱动器的变形反射镜，该变形反射镜采用音圈电机驱动镜面，使用电容传感器实时测量镜面变形量，以保证镜面面型控制精度。基于上述原理，T.K.Barrett等针对6.5m MMT望远镜提出了采用音圈电机驱动玻璃镜面的非球面变形反射镜方案(“Adaptive Secondary Mirror for the 6.5-mMMT”，SPIE vol.3353 754-763(1998))。由于非球面变形反射镜位于主镜正上方，其发热引起的湍流对望远镜成像质量有很大影响。设计者选用中心支撑超薄镜面，以降低镜面刚度，减小驱动力要求，进而减少驱动器发热量，以及增加主动冷却装置等措施来降低非球面变形反射镜的热辐射。目前，基于上述方法研制的非球面变形反射镜已在MMT、LBT等望远镜成功应用，在夜天文观测方面取得了较好的观测结果，推动自适应望远镜成为未来30m级望远镜的首选光学方案，同时也带动了8-10m望远镜新型自适应光学系统升级。

但是，基于音圈电机驱动器的变形反射镜结构复杂、质量大、支撑刚度低、可靠性较差，需要复杂的辅助装置配合工作，导致系统建设成本较高。另外，这类变形反射镜镜面超薄(1.2-2mm)且与参考面板之间连接少，导致镜面热容量低、导热差，抗热扰动能力弱，不能适应太阳高分辨力成像、激光传输等镜面存在较高热量沉积的应用场景。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种具有较高抗热扰动能力的非球面变形反射镜及研制方法，为自适应望远镜在高分辨力太阳观测、激光传输等领域应用提供关键部件支撑。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高抗热扰动能力非球面变形反射镜，高抗热扰动能力非球面变形反射镜是由镜面13、驱动器14、底座与热沉15、外壳16构成整体，同时具备望远镜主光学系统组件及自适应光学系统波前校正器功能；

所述镜面13为球壳结构镜面，镜面正面17为望远镜主光学系统要求的非球面，镜面背面18为保证镜面厚度均匀的球面，镜面背面18具有与镜面13一体，指向镜面背面18法向的整体式极头19；

所述驱动器14两端具有分别与镜面13极头及底座与热沉15顶面匹配的匹配接头24；

所述驱动器14为叠堆式压电陶瓷驱动器，采用压电陶瓷片25层叠构成驱动元件，通过正内电极26、公共内电极27分别将驱动电极29、公共电极30信号加载到压电陶瓷片25两面，驱动驱动器14伸缩，压电陶瓷片25界面无需连接的位置敷设绝缘层28，压电陶瓷片25叠堆外层敷设隔离与导热增强层31。

进一步地，所述驱动器14在组装之前进行严格的热稳定性筛选。

进一步地，所述底座与热沉15使用与镜面13材料热膨胀系数匹配的高弹性模量材料，并采用轻量化结构形式；底座与热沉15侧边具有与其为整体的柔性连接结构32；柔性连接结构32相对光轴方向对称分布；柔性连接结构32中部具有连接螺孔33，用于底座与热沉15与外壳16连接；柔性连接结构32两端通过柔性铰链34结构与底座与热沉15连接。

进一步地，外壳16通过连接螺杆37与底座与热沉15连接；连接螺杆37前端具有与连接螺孔33匹配的螺纹结构；连接螺杆37穿过外壳16侧壁与底座与热沉15连接后，通过点胶方式与外壳16固定；外壳16顶部具有口径略小于镜面13口径的防护罩38；防护罩38与镜面正面17间隙约0.5mm。

一种高抗热扰动能力非球面变形反射镜的研制方法，用于制造所述的高抗热扰动能力非球面变形反射镜，所述镜面13制造方法为：a.待加工镜坯20上盘，加工镜面正面非球面，得到非球面成型后镜坯22；b.成型后镜坯22翻转、上盘，加工镜面背面18球面及整体式极头19结构；c.下盘，得到镜面13。

进一步地，部件制造、筛选完成后装配顺序为：a.驱动器14与底座与热沉15组装，得到驱动器-底座与热沉装配体35；b.镜面13与驱动器-底座与热沉装配体35组装，得到高抗热扰动能力非球面变形反射镜核心装配体36；c.高抗热扰动能力非球面变形反射镜核心装配体36与外壳16组装，得到高抗热扰动能力非球面变形反射镜12。

本发明原理在于：一种高抗热扰动能力非球面变形反射镜，包含镜面、驱动器、底座与热沉、外壳。镜面、驱动器、底座与热沉、外壳组装为整体后与支撑机构连接；镜面为球壳结构，正面为与望远镜主光学系统设计要求相符的非球面(包括：凸双曲面、凹抛物面及离轴非球面等)，同时作为变形反射镜镜面与望远镜主光学系统部件；镜面背面为与正面相匹配的最接近球面，在保证镜面厚度一致性前提下，尽量降低球壳镜面研制难度，节约制造成本；镜面厚度较大，以增大热容量；镜面背面具有与球面结构垂直的整体式极头结构，以增大粘接面与镜面距离，减小粘接过程导致的局部变形；驱动器为采用压电材料致动的压电式驱动器，具有轴向刚度高、发热小的特点；驱动器内压电材料通过叠片方式排列，构成机械上串联、电学上并联的压电叠堆结构，以降低驱动电压，提高驱动速度及使用安全性；驱动器外敷隔离与导热增强层，以隔绝外界条件变化影响驱动器稳定性，并增强驱动器导热性；驱动器两端具有与镜面极头及底座与热沉顶面相对应的匹配接口，以保证驱动器与底座与热沉、镜面极头紧密接触，提高接触刚度，保证导热；底座与热沉采用与镜面热膨胀系数匹配的高比刚度材料制造，并采用轻量化的结构形式，以保证镜面型热稳定性并减小重量；底座与热沉正面采用与驱动器底面匹配的球面结构，以保证紧密接触，提高接触刚度；底座与热沉侧边具有与外壳连接的柔性结构，既保证底座与热沉与外壳的可靠连接，又隔离外壳变形，减少外壳对变形反射镜面型的影响；外壳采用高比刚度的金属材料制造，实现对底座与热沉和热沉的可靠支撑及其与变形反射镜支撑结构的连接，并为变形反射镜提供额外的安全保护。

本发明与现有技术相比有如下优点：

(1)本发明所述非球面变形反射镜结构紧凑。本发明采用高抗热扰动能力非球面变形反射镜，其核心结构仅由镜面、驱动器、底座与热沉三部分构成，无机械运动部件，且采用的压电陶瓷驱动器发热量小，无须额外的散热设计，使得变形反射镜整体结构紧凑；

(2)本发明所述非球面变形反射镜驱动器谐振频率高。本发明采用压电陶瓷驱动器作为致动部件，压电陶瓷驱动器轴向刚度高且通过高刚度连接方式与镜面、底座与热沉分别连接，给镜面提供了良好的支撑，保证了组装后非球面变形反射镜驱动器谐振频率较高；

(3)本发明所述非球面变形反射镜面型稳定性好。本发明采用压电陶瓷驱动器作为非球面变形反射镜致动器件。首先，所有驱动器在组装之前进行了严格的热稳定性筛选，确保了温度变化时驱动器热变形一致，不引入高阶面型误差。其次，底座与热沉材料经过严格选择，同时进行了严格的退应力处理，确保温度变化时镜面变形为整体的曲率半径变化，无高阶面型误差。再次，镜面背部具有与镜面为一体式结构的极头阵列，增加了驱动器/镜面粘接界面与光学面的距离，避免了粘接剂在固化收缩、温度变化等过程中对镜面面型的影响。通过上述方法保证了非球面变形反射镜整体面型温度变化率PV<0.03λ/℃(λ＝632.8nm),高阶面型误差变化率PV<0.01λ/℃(λ＝632.8nm)，具有很好的面型稳定性；

(4)本发明所述非球面变形反射镜可靠性高。本发明采用压电陶瓷驱动式非球面变形反射镜方案。首先，本发明所述非球面变形反射镜在总体设计过程中预留了较大的安全余量(极端工作条件下所有材料安全系数>3)；其次，本发明采用压电陶瓷驱动器作为致动部件，通过压电材料的伸缩来控制镜面变形，具有无运动元件、无间隙、无摩擦的特点，使用环境较易控制，其外部具有隔离与导热增强层，能很好的将压电材料与外界环境隔离，避免外界环境对驱动器性能的影响；再次，本发明采用的压电陶瓷驱动器发热量小，无须专门的散热设计，降低系统复杂程度。通过上述方法，保证非球面变形反射镜较高的可靠性；

(5)本发明所述非球面变形反射镜抗热扰动能力强。本发明采用较厚的镜面，提高镜面热容量；同时，通过结构优化，建立由镜面-驱动器-底座与热沉构成的全固态导热通道，将镜面吸收热量导入变形反射镜背部处理，最终实现镜面温升控制，提高变形反射镜抗热扰动能力。

附图说明

图1为传统自适应光学系统光路原理图；

图2为自适应望远镜光路原理图；

图3为非球面变形反射镜结构示意图；

图4为球壳镜面结构示意图；

图5为球壳镜面成型流程图；

图6为叠片式压电驱动器结构示意图；

图7为轻量化底座与热沉结构示意图；

图8为驱动器、底座与热沉及镜面组装及全固态导热通道示意图，其中，图8(a)为驱动器、底座与热沉组装图，图8(b)为整体组装及全固态导热通道示意图；

图9为底座与热沉与外壳连接结构示意图。

图中：1为主镜、2为次镜、3为折光镜、4为第一匹配镜、5为倾斜镜、6为第二匹配镜、7为变形反射镜、8为第三匹配镜、9为分光镜、10为波前传感器、11为成像相机、12为非球面变形反射镜、13为镜面、14为驱动器、15为底座与热沉、16为外壳、17为镜面正面、18为镜面背面、19为整体式极头、20为待加工镜坯、21为镜坯平面支撑件、22为非球面成型后镜坯、23为镜坯非球面支撑件、24为匹配接头、25为压电陶瓷片、26为正内电极、27为公共内电极、28为绝缘层、29为驱动电极、30为公共电极、31为隔离与导热增强层、32为柔性连接结构、33为连接螺孔、34为柔性铰链、35为驱动器-底座与热沉装配体、36为非球面变形反射镜核心装配体、37为连接螺杆、38为防护罩。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图3所示，本发明所述的非球面变形反射镜是由镜面13、驱动器14阵列、底座与热沉15及外壳16组装，构成的以外壳16为连接机构、底座与热沉15为位移参考、驱动器14为驱动机构、镜面13为反射面的波前校正器。

如图4所示，镜面13为球壳结构，其镜面正面17为非球面，镜面背面18为球面，极头19与镜面为整体结构。其中，镜面正面17同时作为望远镜次镜及非球面变形反射镜反射面，其结构参数由望远镜系统光学设计决定；镜面背面18为保证镜面厚度均匀性误差小于1％条件下确定的最佳球面；整体式极头19为指向镜面背面18法向的整体式柱状结构。

图5为镜面13的制造流程：a.将待加工镜坯20与平面支撑件21粘接为整体；b.进行非球面成型、抛光，得到非球面加工完成的镜坯22；c.将非球面加工完成的镜坯22从平面支撑件21上下盘、反转，与非球面支撑件23粘接为整体；d.进行镜面背面18及整体式极头19成型；e.下盘，得到加工完成的镜面13。

如图6所示，驱动器14是由匹配接头24、压电陶瓷片25叠堆、正内电极26、公共内电极27、绝缘层28、驱动电极29、公共电极30及隔离与导热增强层31构成的整体。其中，匹配接头24匹配面分别与镜面整体式极头19底面、底座与热沉15顶面互补；压电陶瓷片25两面预制电极后，采用相邻陶瓷片极化方向相反的方式叠加，相邻预制电极构成压电驱动器的正内电极26、公共内电极27，正内电极26、公共内电极27分别通过驱动电极29、公共电极30引出，在不需要电极引出的位置敷设绝缘层28，以保证驱动电极29及公共电极30之间绝缘。压电陶瓷片25叠堆及驱动电极29、公共电极30引出结束后，在最外层敷设隔离与导热增强层31来隔绝外界环境对驱动器的影响。

如图7所示，底座与热沉15采用与镜面热膨胀系数匹配的高比刚度材料制造，并采用轻量化结构，去除不必要的材料，在其外侧具有与底座与热沉15为一体式结构的柔性连接结构32。柔性连接结构32共有三组，沿底座与热沉轴线方向均布。柔性连接结构32中部有用于底座与热沉-外壳连接的连接螺孔33。柔性连接结构32两侧通过对称的柔性铰链34与底座与热沉内环相连。改变柔性铰链厚度可以调整底座与热沉与外壳16之间的连接刚度。

非球面变形反射镜的组装顺序为：a.驱动器阵列-底座与热沉组装，得到驱动器-底座与热沉装配体(35)；b.镜面-驱动器-底座与热沉装配体组装，得到非球面变形反射镜核心装配体36，构成完整的全固态导热通道(图8)；c.非球面变形反射镜核心装配体36-外壳16组装，得到非球面变形反射镜12。

如图9所示，底座与热沉15与外壳16通过连接螺杆37连接，连接螺杆37前部为与连接螺孔33匹配的螺纹，保证底座与热沉15与外壳16之间可靠连接，后部为光杆结构，光杆与外壳连接孔预留空隙，装调完成后点胶固定。外壳16顶部具有保护镜面的防护罩38，防护罩38与镜面正面17间隙小于0.5mm，以防止意外情况下非球面变形反射镜内部微小零件跌落损伤主镜1。

基于上述结构，本发明实施例设计了一个以硅为镜面、层叠式压电驱动器为驱动机构、碳化硅轻量化结构为底座与热沉，构成的高抗热扰动能力非球面变形反射镜。

由上述分析可知，本发明所述的非球面变形反射镜相对于现有非球面变形反射镜具有结构紧凑、谐振频率高、面型稳定性好、可靠性高、抗热扰动能力强的特点。基于本发明所述结构研制了非球面变形反射镜用于实际系统升级。

Claims (6)

1.一种高抗热扰动能力非球面变形反射镜，其特征在于：高抗热扰动能力非球面变形反射镜是由镜面(13)、驱动器(14)、底座与热沉(15)、外壳(16)构成整体，同时具备望远镜主光学系统组件及自适应光学系统波前校正器功能；

所述镜面(13)为球壳结构镜面，镜面正面(17)为望远镜主光学系统要求的非球面，镜面背面(18)为保证镜面厚度均匀的球面，镜面背面(18)具有与镜面(13)一体，指向镜面背面(18)法向的整体式极头(19)；

所述驱动器(14)两端具有分别与镜面(13)整体式极头(19)及底座与热沉(15)顶面匹配的匹配接头(24)；

所述驱动器(14)为叠堆式压电陶瓷驱动器，采用压电陶瓷片(25)层叠构成驱动元件，通过正内电极(26)、公共内电极(27)分别将驱动电极(29)、公共电极(30)信号加载到压电陶瓷片(25)两面，驱动驱动器(14)伸缩，压电陶瓷片(25)界面无需连接的位置敷设绝缘层(28)，压电陶瓷片(25)叠堆外层敷设隔离与导热增强层(31)。

2.根据权利要求1所述一种高抗热扰动能力非球面变形反射镜，其特征在于：所述驱动器(14)在组装之前进行严格的热稳定性筛选。

3.根据权利要求1所述一种高抗热扰动能力非球面变形反射镜，其特征在于：所述底座与热沉(15)使用与镜面(13)材料热膨胀系数匹配的高弹性模量材料，并采用轻量化结构形式；底座与热沉(15)侧边具有与其为整体的柔性连接结构(32)；柔性连接结构(32)相对光轴方向对称分布；柔性连接结构(32)中部具有连接螺孔(33)，用于底座与热沉(15)与外壳(16)连接；柔性连接结构(32)两端通过柔性铰链(34)结构与底座与热沉(15)连接。

4.根据权利要求1所述一种高抗热扰动能力非球面变形反射镜，其特征在于：外壳(16)通过连接螺杆(37)与底座与热沉(15)连接；连接螺杆(37)前端具有与连接螺孔(33)匹配的螺纹结构；连接螺杆(37)穿过外壳(16)侧壁与底座与热沉(15)连接后，通过点胶方式与外壳(16)固定；外壳(16)顶部具有口径略小于镜面(13)口径的防护罩(38)；防护罩(38)与镜面正面(17)间隙约0.5mm。

5.一种高抗热扰动能力非球面变形反射镜的研制方法，用于制造权利要求1所述的高抗热扰动能力非球面变形反射镜，其特征在于：所述镜面(13)制造方法为：a.待加工镜坯(20)上盘，加工镜面正面非球面，得到非球面成型后镜坯(22)；b.成型后镜坯(22)翻转、上盘，加工镜面背面(18)球面及整体式极头(19)结构；c.下盘，得到镜面(13)。

6.根据权利要求6所述的一种高抗热扰动能力非球面变形反射镜的研制方法，其特征在于：部件制造、筛选完成后装配顺序为：a.驱动器(14)与底座与热沉(15)组装，得到驱动器-底座与热沉装配体(35)；b.镜面(13)与驱动器-底座与热沉装配体(35)组装，得到高抗热扰动能力非球面变形反射镜核心装配体(36)；c.高抗热扰动能力非球面变形反射镜核心装配体(36)与外壳(16)组装，得到高抗热扰动能力非球面变形反射镜(12)。

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