CN114815224B - 一种压电陶瓷驱动式变形反射镜及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电陶瓷驱动式变形反射镜及其制造方法，针对现有变形反射镜存在的驱动器规模扩展困难、可靠性降低及面形高阶误差增大等问题，提出一种驱动器规模可扩展、可靠性高、高阶误差小的压电陶瓷驱动式变形反射镜及其制造方法。该变形反射镜主要由整体式镜面(1)、模块化压电陶瓷驱动器阵列(2)、高刚度底座(3)、电学连接模块(4)和机械外壳(5)构成的以机械外壳为连接机构、高刚度底座(3)为位置参考、模块化压电陶瓷驱动器阵列(2)为驱动机构、整体式镜面(1)为反射面的波前校正器。基于本发明完成由整体式镜面、线阵驱动单元模块拼接式驱动器阵列为核心的压电陶瓷驱动式变形反射镜研制，表明本发明具有满足未来先进自适应光学系统需求的能力。

Description

一种压电陶瓷驱动式变形反射镜及其制造方法

技术领域

本发明属于自适应光学波前校正器技术领域，具体涉及一种压电陶瓷驱动式变形反射镜及其制造方法。

背景技术

变形反射镜作为自适应光学系统的执行器件，主要作用是产生受控变形，其性能直接决定自适应光学系统的能力极限，是自适应光学系统具有能动可变特性的关键。随着天文学的发展，新的高分辨力观测需求，如：星云、太阳等扩展目标、类地行星等低对比度目标、宇宙早期暗淡星系等弱目标，超出传统SCAO(单层共轭校正自适应光学)系统观测能力，推动自适应光学技术衍生出MCAO(多层共轭校正自适应光学)、MOAO(多目标校正自适应光学)、GLAO(近地层校正自适应光学)、XAO(极端自适应光学或超级自适应光学)及AdaptiveTelescope(自适应望远镜)等多种类型。

新型自适应光学系统对变形反射镜驱动器单元数需求由数百单元级提升到上千甚至万单元级，控制带宽由几十赫兹提高到上百赫兹，面形误差控制精度由几十纳米提升到十纳米以下，使用方式由闭环到开、闭环兼有，给变形反射镜研制带来极大挑战。

围绕新型自适应光学系统需求，国外相关单位自2010年左右开始支持压电陶瓷驱动式、双压电片式、音圈电机驱动式和微机电式等多条技术路线攻关。时至今日，仍未完全解决变形反射镜驱动器规模扩展、可靠性保证与高阶误差抑制等技术难题，不能完全满足未来自适应光学系统研制需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术不足，提出一种驱动器规模可扩展、可靠性高、高阶误差小的压电陶瓷驱动式变形反射镜及其制造方法。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种压电陶瓷驱动式变形反射镜，该压电陶瓷驱动式变形反射镜是主要由整体式镜面1、模块化压电陶瓷驱动器阵列2、高刚度底座3、电学连接模块4和机械外壳5构成的以机械外壳5为连接机构、高刚度底座3为位置参考、模块化压电陶瓷驱动器阵列2为驱动机构、整体式镜面1为反射面的波前校正器。

进一步地，整体式镜面1为双层光学玻璃-金属复合结构，其中光学玻璃层6为平板结构，下表面与金属复合层平板7键合。

进一步地，整体式镜面1的光学玻璃层6顶面抛光并镀膜，是变形反射镜光学反射面。

进一步地，整体式镜面1金属复合层是由整块金属材料加工而成的异型机构，由金属复合层平板7、金属复合层阵列极头8和金属复合层连接结构9构成，其中金属复合层平板7上表面与光学玻璃层6下表面键合，为光学玻璃层提供支撑，金属复合层连接结构9与模块化压电陶瓷驱动器阵列2顶面键合。

进一步地，整体式镜面1金属复合层所采用的材料与光学玻璃层6热膨胀系数匹配。

进一步地，模块化压电陶瓷驱动器阵列2由线阵驱动器模块拼接构成。

进一步地，线阵驱动器模块由梳状压电陶瓷片10、压电陶瓷驱动器线阵间隔片11、压电陶瓷驱动器支撑板12和压电陶瓷驱动器电连接器13构成横向压电叠堆结构；所述的梳状压电陶瓷片10内电极通过底部引线方式，穿过压电陶瓷驱动器支撑板12，由压电陶瓷驱动器电连接器13引出；所述的压电陶瓷驱动器电连接器13为标准连接件；所述的压电陶瓷驱动器线阵间隔片11厚度根据前道工序组装后整体厚度修磨，保证线阵驱动器模块厚度一致性。

进一步地，高刚度底座3采用与整体式镜面1热膨胀系数匹配的材料制造；高刚度底座3具有与驱动器阵列排布相匹配的模块化压电陶瓷驱动器阵列电连接器穿针孔18阵列。

进一步地，电学连接模块4由阵列电极转换板19、变形反射镜内部连接电缆21和标准电连接器22构成，其中阵列电极转换板19上表面具有与驱动器针状接口阵列互补的阵列电极插孔20阵列；所述阵列电极插孔20阵列与压电陶瓷驱动器电连接器13阵列对插连接。

进一步地，机械外壳5与变形反射镜主装配体25组装，对其提供电学、机械接口与保护。

本发明原理在于：一种压电陶瓷驱动式变形反射镜，包含有：整体式镜面、模块化压电陶瓷驱动器阵列、高刚度底座、电学连接模块和机械外壳。整体式镜面、模块化压电陶瓷驱动器阵列、高刚度底座装为整体后与机械外壳连接；整体式镜面为双层光学玻璃-金属复合结构，正面为光学玻璃层，背面为金属复合层；光学玻璃层表面抛光并镀膜，作为变形反射镜的反射面；金属复合层正面与光学玻璃层连接，为光学玻璃层提供支撑；金属复合层背面具有与驱动器阵列匹配的柱状阵列结构，增大驱动器阵列-镜面界面与变形反射镜反射面距离，避免组装过程局部应力影响反射面面形；驱动器阵列由线阵模块拼接构成，具有扩展性；驱动器线阵模块采用标准化结构，批量研制，以提高研制效率与一致性；驱动器内压电材料通过堆叠方式排列，组成结构、电学上并联的横向压电叠堆，以降低驱动电压，提高响应速度及使用安全性；驱动器外敷隔离层，以隔绝外界环境变化，保持驱动器稳定性，并增强绝缘性能；驱动器采用底部出线方式，避免电极数量对驱动器规模的限制，以提高驱动器阵列规模可扩展性；驱动器线阵模块采用定制插针线阵引出驱动电极，实现电学接口标准化，方便工艺过程中驱动器线阵模块的测试、筛选；高刚度底座采用与整体式镜面热膨胀系数匹配的高比刚度材料制造，在驱动器阵列驱动电极插针阵列对应位置具有穿线孔阵列，供驱动器阵列组装后驱动电极引出到底座背面；电学连接模块与驱动器驱动电极插针阵列互补，对插连接，提高整体组装可靠性与效率。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明所述变形反射镜可扩展性强。本发明以标准模块方式研制底部出线的驱动器线阵，采用线阵拼接方式构建驱动器阵列，避免传统方案独立驱动器引入的细长结构阵列组装、大规模驱动器阵列布线等难题，使得变形反射镜驱动器规模可扩展性增强；

(2)本发明所述变形反射镜可靠性高。本发明驱动器采用横向压电叠堆结构，大幅减小受力方向键合界面数量；本发明驱动器底部布线，内电极通过插针引出，利于部件制造、整体组装全过程测试、筛选；上述特征使得研制的变形反射镜受力方向界面数量少，降低界面失效发生概率；插针式电极，便于增加测试、筛选点，共同提升变形反射镜的可靠性；

(3)本发明所示变形反射镜高阶误差小。本发明驱动器阵列以标准模块方式研制，一致性好；本发明驱动器线阵结构支持高效性能测试、筛选，阵列驱动器失效率低；本发明整体式镜面采用双层复合结构，整体式镜面背面阵列柱状极头结构，增加了驱动器阵列-镜面界面与反射面距离；上述特征使得研制的变形反射镜驱动器一致性好、失效率低，面形高阶误差少，共同保证变形反射镜极小的高阶面形误差。

附图说明

图1为本发明一种压电陶瓷驱动式变形反射镜结构示意图；

图2为整体式镜面1示意图；

图3为线阵驱动器模块；

图4为线阵驱动器模块研制过程；

图5为高刚度底座3示意图；

图6为变形反射镜电学连接模块；

图7为压电陶瓷驱动式变形反射镜整体组装过程；

图8为压电陶瓷驱动式变形反射镜研制结果；

图中：1为整体式镜面，2为模块化压电陶瓷驱动器阵列，3为高刚度底座，4为电学连接模块，5为机械外壳，6为光学玻璃层，7为金属复合层平板，8为金属复合层阵列极头，9为金属复合层连接结构，10为梳状压电陶瓷片，11为压电陶瓷驱动器线阵间隔片，12为压电陶瓷驱动器支撑板，13为压电陶瓷驱动器电连接器，14为压电陶瓷驱动器电连接器连接孔，15为电连接器与压电陶瓷内电极连接端，16为电连接器绝缘层，17为压电陶瓷驱动器电连接器插针，18为模块化压电陶瓷驱动器阵列电连接器穿针孔，19为阵列电极转换板，20为阵列电极插孔，21为变形反射镜内部连接电缆，22为标准电连接器，23为驱动器-底座子装配体，24为变形反射镜核心装配体，25为变形反射镜主装配体，26为压电陶瓷驱动式变形反射镜。

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1所示，本发明所述的压电陶瓷驱动式变形反射镜是主要由整体式镜面1、模块化压电陶瓷驱动器阵列2、高刚度底座3、电学连接模块4和机械外壳5构成，以机械外壳5为机械连接机构、电学连接模块4为电学连接接口、高刚度底座3为位置参考、模块化压电陶瓷驱动器阵列2为驱动机构、整体式镜面1为反射面的波前校正器。

如图2所示，整体式镜面1为双层光学玻璃-金属复合结构，其中光学玻璃层6为平板结构，上表面抛光、镀膜作为变形反射镜反射面，下表面与金属复合层平板7键合。金属复合层是由整块金属材料加工而成的异型机构，由金属复合层平板7、金属复合层阵列极头8和金属复合层连接结构9构成，其中金属复合层平板7上表面与光学玻璃层6下表面键合，为光学玻璃层6提供支撑，金属复合层连接结构9与驱动器顶面键合，将模块化压电陶瓷驱动器阵列2位移通过金属复合层阵列极头8传递到光学玻璃层6，控制反射面面形。

如图3所示，模块化压电陶瓷驱动器阵列2的基本构成单元为线阵驱动器模块，主要由梳状压电陶瓷片10、压电陶瓷驱动器线阵间隔片11、压电陶瓷驱动器支撑板12和压电陶瓷驱动器电连接器13构成。

图4为线阵驱动单元模块组装过程：

a.准备元件，完成界面清洁；

b.将梳状压电陶瓷片10层叠键合，在梳齿底部引出驱动电极；

c.将压电陶瓷驱动器电连接器13装入压电陶瓷驱动器支撑板12固定，并处理电连接器与压电陶瓷内电极连接端15；

d.将梳状压电陶瓷叠堆与装好压电陶瓷驱动器电连接器13的压电陶瓷驱动器支撑板12对接，并将电连接器与压电陶瓷内电极连接端15与对应驱动器内电极焊接；

e.将压电陶瓷驱动器线阵间隔片11与梳状压电陶瓷叠堆组装为整体，得到驱动电极从底部出线的线阵驱动器模块。

如图5所示，高刚度底座3采用与镜面热膨胀系数匹配的高比刚度材料制造，在驱动器出线对应位置具有模块化压电陶瓷驱动器阵列电连接器穿针孔18阵列，实现变形反射镜底部出线；

如图6所示，变形反射镜电学连接模块，主要由阵列电极转换板19、变形反射镜内部连接电缆21和标准电连接器22构成，其中阵列电极转换板19上表面具有与驱动器针状接口阵列互补的阵列电极插孔20阵列，采用对插形式，通过变形反射镜内部连接电缆21将驱动电极与标准电连接器22连接，提供标准电学接口；

如图7所示，压电陶瓷驱动式变形反射镜整体组装方式为：

a.准备部件，完成界面清洁；

b.将线阵驱动单元模块与高刚度底座3键合得到驱动器-底座子装配体23；

c.准备整体式镜面1与驱动器-底座子装配体23；

d.键合整体式镜面1.与驱动器-底座子装配体23得到变形反射镜核心装配体24；

e.准备变形反射镜核心装配体24与电学连接模块4；

f.将变形反射镜核心装配体24与电学连接模块4插接，得到变形反射镜主装配体25；

g.将变形反射镜主装配体25与机械外壳5组装得到压电陶瓷驱动式变形反射镜26。

基于上述结构，本发明实施例完成图8所示由整体式镜面、线阵驱动单元模块拼接的15×15驱动器阵列(如图8a.)构成的压电陶瓷驱动式变形反射镜(如图8b.)。该变形反射镜口径Ф36mm、驱动器极间距3mm、有效驱动单元数137单元，自整平RMS≈8.0nm(如图8c.)。

由上述分析可知，本发明所述的变形反射镜相对于现有变形反射镜具有可扩展性强、可靠性高、高阶误差小的特点，可以满足未来先进自适应光学系统研制需求。

Claims (5)

1.一种压电陶瓷驱动式变形反射镜，其特征在于：该压电陶瓷驱动式变形反射镜是由整体式镜面(1)、模块化压电陶瓷驱动器阵列(2)、高刚度底座(3)、电学连接模块(4)和机械外壳(5)构成的,以机械外壳(5)为连接机构、高刚度底座(3)为位置参考、模块化压电陶瓷驱动器阵列(2)为驱动机构、整体式镜面(1)为反射面的波前校正器；

整体式镜面(1)为双层光学玻璃-金属复合结构，其中光学玻璃层(6)为平板结构，下表面与金属复合层平板(7)键合；

整体式镜面(1)金属复合层是由整块金属材料加工而成的异型机构，由金属复合层平板(7)、金属复合层阵列极头(8)和金属复合层连接结构(9)构成，其中金属复合层平板(7)上表面与光学玻璃层(6)下表面键合，为光学玻璃层(6)提供支撑，金属复合层连接结构(9)与模块化压电陶瓷驱动器阵列(2)顶面键合；

高刚度底座(3)采用与整体式镜面(1)热膨胀系数匹配的材料制造；高刚度底座(3)具有与驱动器阵列排布相匹配的模块化压电陶瓷驱动器阵列电连接器穿针孔(18)阵列，实现变形反射镜底部出线；

模块化压电陶瓷驱动器阵列(2)由线阵驱动器模块拼接构成；

线阵驱动器模块由梳状压电陶瓷片(10)、压电陶瓷驱动器线阵间隔片(11)、压电陶瓷驱动器支撑板(12)和压电陶瓷驱动器电连接器(13)构成横向压电叠堆结构；所述的梳状压电陶瓷片(10)内电极通过底部引线方式，穿过压电陶瓷驱动器支撑板(12)，由压电陶瓷驱动器电连接器(13)引出；所述的压电陶瓷驱动器电连接器(13)为标准连接件；所述的压电陶瓷驱动器线阵间隔片(11)厚度根据前道工序组装后整体厚度修磨，保证线阵驱动器模块厚度一致。

2.基于权利要求1所述的压电陶瓷驱动式变形反射镜，其特征在于：整体式镜面(1)的光学玻璃层(6)顶面抛光并镀膜，是变形反射镜光学反射面。

3.基于权利要求1所述的压电陶瓷驱动式变形反射镜，其特征在于：整体式镜面(1)金属复合层所采用材料与光学玻璃层(6)热膨胀系数匹配。

4.基于权利要求1所述的压电陶瓷驱动式变形反射镜，其特征在于：电学连接模块(4)由阵列电极转换板(19)、变形反射镜内部连接电缆(21)和标准电连接器(22)构成，其中阵列电极转换板(19)上表面具有与驱动器针状接口阵列互补的阵列电极插孔(20)阵列；所述阵列电极插孔(20)阵列与压电陶瓷驱动器电连接器(13)阵列对插连接。

5.基于权利要求1所述的压电陶瓷驱动式变形反射镜，其特征在于：机械外壳(5)与变形反射镜主装配体(25)组装，对其提供电学、机械接口与保护。

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