CN116931252A - 变形镜 - Google Patents

Abstract

一种变形镜，该变形镜包括：镜面，适用于反射照射到镜面上的光束；位移驱动模块，与镜面固定连接，适用于基于镜面的柔性驱动镜面在多个部位中的至少一个部位产生轴向方向的变形；以及偏转驱动模块，该偏转驱动模块包括：第一基座，位移驱动模块设置于第一基座上；以及多个偏转单元，安装在第一基座内，每个偏转单元适用于基于偏转单元在镜面的轴向方向的尺寸变化驱动位移驱动模块和镜面在镜面的轴向方向上发生偏转。

Description

变形镜

技术领域

本公开涉及自适应光学技术领域，尤其涉及一种具有可偏转的变形镜。

背景技术

随着成像系统中目标物距离不断增大，光谱范围不断提升，需要变形镜具有补偿远距离大气扰动的高幅值相位误差能力，因此，需要变形镜满足更大行程和精度的要求，目前市面上变形镜行程多小于50μm，精度小于20nm。

变形镜通过产生与畸变波前共轭的面形，来实现低阶到高阶相差的校正，但无法校正大气扰动带来光轴偏转，为保障成像系统在变焦过程中光轴光线，即系统零视场点的中心光线，固定不变，需使用倾斜镜来校正光轴偏转。常规倾斜镜结构的驱动器与镜面直接相连，会带来镜面与驱动器的转动中心不重合，镜面转动时会带来光束的平移，除此之外，倾斜镜元件的增加会提高光学系统复杂度，降低光能利用率。

发明内容

本公开的实施例提出了一种变形镜，以至少解决上述现有技术中存在的上述或者其它方面的至少一种技术问题。

根据本公开的实施例，提供了一种变形镜，包括：镜面，适用于反射照射到所述镜面上的光束；位移驱动模块，与所述镜面固定连接，适用于基于所述镜面的柔性驱动所述镜面在多个部位中的至少一个部位产生轴向方向的变形；以及偏转驱动模块。该偏转驱动模块，包括：第一基座，所述位移驱动模块设置于所述第一基座上；以及多个偏转单元，安装在所述第一基座内，每个所述偏转单元适用于基于所述偏转单元在所述镜面的轴向方向的尺寸变化驱动所述位移驱动模块和所述镜面在所述镜面的轴向方向上发生偏转。

根据本公开的实施例，每个所述偏转单元包括：柔性壳体，设置在所述第一基座中；第一驱动器，安装在所述柔性壳体中，所述第一驱动器在与所述镜面的轴向方向垂直的伸缩方向上的伸展和收缩驱动所述柔性壳体在所述轴向方向上的尺寸减小或者增大；以及连接柱，安装在所述位移驱动模块和所述柔性壳体之间，使得所述位移驱动模块和所述镜面通过所述连接柱随所述柔性壳体的尺寸变化在所述轴向方向上发生偏转。

根据本公开的实施例，还包括：偏转台面，设置在所述第一基座的外部，适用于支撑所述位移驱动模块，所述连接柱连接在所述柔性壳体和所述偏转台面之间并从所述第一基座伸出，使得所述偏转台面随所述柔性壳体的尺寸变化在所述轴向方向上发生偏转。

根据本公开的实施例，所述位移驱动模块包括：第二基座，设置于所述偏转驱动模块上；以及多个第二驱动器，连接在所述第二基座与所述镜面之间，每个所述第二驱动器在与所述轴向方向上的伸展和收缩驱动所述镜面与所述第二驱动器连接的部位在所述轴向方向产生变形；优选地，多个所述第二驱动器布置在同心的至少一个圆周上。

根据本公开的实施例，所述第二基座包括：第一支撑盘，多个所述第二驱动器安装在所述第一支撑盘上；第二支撑盘，安装在所述偏转驱动模块上；以及多个支撑柱，连接在所述第一支撑盘和第二支撑盘之间，以在所述第一支撑盘和所述第二支撑盘之间形成容纳空间。

根据本公开的实施例，所述第二驱动器包括多个压电驱动柱，多个所述压电驱动柱在所述压电驱动柱的伸缩方向上叠加；优选地，所述第二驱动器包括两个所述压电驱动柱，所述压电驱动柱直径小于10mm，两个所述压电驱动柱间的预紧力大于200N，所述第二驱动器的工作频率大于100HZ，所述第二驱动器的驱动精度为全行程的1/10000到1/500000。

根据本公开的实施例，多个所述第二驱动器按等间距阵列与所述镜面固定连接，所述第二驱动器的数量和间距基于所述镜面需求设置。

根据本公开的实施例，所述偏转单元为4个，所述4个偏转单元采用四点均布设置，所述偏转单元的偏转精度小于全行程的万分之一。

根据本公开的实施例，所述镜面的直径与厚度比不大于500；所述镜面的材料包括单晶硅、SiC和金属片中任意一种。

根据本公开的实施例，在所述镜面的相对的两个面上覆盖反射膜，所述反射膜的材料包括铝、银和金中任意一种。

根据本公开上述实施例的变形镜，利用变形镜镜面的柔性通过位移驱动模块可以使镜面可以产生局部的轴向方向的变形；利用偏转驱动模块中的多个偏转单元在镜面的轴向方向的尺寸变化，可以驱动镜面作为一个整体产生轴向方向上的偏转，通过位移驱动模块和偏转驱动模块可以实现光轴调整和辅助调焦功能，可通过面形控制进行各阶相差校正，以达到降低光学系统复杂度的目的。

附图说明

图1是根据本公开示意性实施例的变形镜的简易正视图；

图2是根据本公开示意性实施例的变形镜的从另一个角度观察的简易正视图；以及

图3是根据本公开示意性实施例的变形镜的移除镜面和位移驱动模块后的简易正视图。

附图标记说明

1：镜面；

2：位移驱动模块；

21：第二驱动器；

22：第二基座；

221：第一支撑盘；

222：第二支撑盘；

223：支撑柱；

3：偏转驱动模块；

31：第一基座；

32：偏转单元；

321：柔性壳体；

322：第一驱动器；

323：连接柱；

4：偏转台面。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。但是，本公开能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本公开的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同元件。

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

为便于本领域技术人员理解本公开技术方案，现对如下技术术语进行解释说明。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。

图1是根据本公开示意性实施例的变形镜的简易正视图；

图2是根据本公开示意性实施例的变形镜的从另一个角度观察的简易正视图。

本公开的实施例提供一种变形镜，如图1和图2所示，该变形镜包括：镜面1、位移驱动模块2和偏转驱动模块3，其中，偏转驱动模块3包括：第一基座31和多个偏转单元32。

详细地，镜面1适用于反射照射到镜面1上的光束；位移驱动模块2与镜面1固定连接，适用于基于镜面1的柔性驱动镜面1在多个部位中的至少一个部位产生轴向方向的变形；位移驱动模块2设置于第一基座31上，例如，第一基座31具有大致正方形的径向截面；多个偏转单元32安装在第一基座31内，每个偏转单元32适用于基于偏转单元32在镜面1的轴向方向的尺寸变化驱动位移驱动模块2和镜面1在镜面1的轴向方向上整体上发生偏转。

详细地，镜面1在俯视图中为圆形。镜面1的直径与厚度比不大于500，以实现低刚度设计，镜面损失驱动器行程的0.5％，提高变形镜行程。镜面1的材料可以选择单晶硅、SiC或者金属片等，优选地，镜面1材料为单晶硅。镜面1的相对的两个面覆盖反射膜，如图1和2中所示的上下两面，以满足高反射率的同时保证镜面1的应力控制，提高镜面1的平整度，优选地，镜面1平整度小于5nm。需要说明的是，镜面1的相对的两个面可以覆盖反射膜，但不限定两个面必须均覆盖反射膜。反射膜的材料可以选择铝、银或金等，如当反射膜使用金属铝时，反射率在80％以上。

进一步地，变形镜利用镜面1的柔性通过位移驱动模块2可以使镜面1可以产生局部的轴向方向的变形；利用偏转驱动模块3中的多个偏转单元32在镜面1的轴向方向的尺寸变化，可以驱动变形镜作为一个整体产生轴向方向上的偏转，通过位移驱动模块2和偏转驱动模块3可以实现光轴调整和辅助调焦功能，可通过面形控制进行各阶相差校正，以达到降低光学系统复杂度的目的。

图3是根据本公开示意性实施例的变形镜的移除镜面和位移驱动模块后的简易正视图。

在一些实施例中，参见图1-3，每个偏转单元32包括：柔性壳体321、第一驱动器322和连接柱323。

详细地，柔性壳体321设置在第一基座31中，具体地，设置在第一基座内形成的容纳空间中。第一驱动器322以在与镜面1的轴向方向垂直的伸缩方向上延伸的方式安装在柔性壳体321中，第一驱动器322在与镜面1的轴向方向垂直的伸缩方向上的伸展和收缩驱动柔性壳体321在轴向方向上的尺寸减小或者增大，即，柔性壳体321在轴向方向上的尺寸发生变化；连接柱323安装在位移驱动模块2和柔性壳体321之间，使得位移驱动模块2和镜面1通过连接柱323随柔性壳体321的尺寸变化在轴向方向上发生偏转。

进一步地，第一基座31中设置多个偏转单元32，每个偏转单元32都包括一个柔性壳体321和一个第一驱动器322，第一驱动器322在竖直方向上可以发生伸展和收缩。如图1所示，将第一驱动器322横向连接在柔性壳体321的容纳空间中，也就是说，在多个偏转单元32中的任一偏转单元32的第一驱动器322产生横向(伸缩方向)伸展时，此偏转单元32中的驱动柔性壳体321在纵向方向(轴向方向)上的尺寸会减小，进而驱动设置在第一基座31上的位移驱动模块2在该偏转单元32所在的部位在轴向方向上向下朝向第一基座31倾斜。同样地，在多个偏转单元32中的任一偏转单元32的第一驱动器322产生横向收缩时，此偏转单元32中的驱动柔性壳体321在纵向方向上的尺寸会增加，进而驱动设置在第一基座31上的位移驱动模块2在该偏转单元32所在的部位在轴向方向上向上远离第一基座31倾斜。

进一步地，在多个偏转单元32中的所有偏转单元32的第一驱动器322产生横向伸展时，所有偏转单元32中的驱动柔性壳体321在纵向方向上的尺寸会减小，进而驱动设置在第一基座31上的位移驱动模块2产生整体下降。同样地，在多个偏转单元32中的所有偏转单元32的第一驱动器322产生横向收缩时，所有偏转单元32中的驱动柔性壳体321在纵向方向上的尺寸会增加，进而驱动设置在第一基座31上的位移驱动模块2产生整体上升。也就是说，基于偏转单元32构成的支撑结构可以提供变形镜的镜面1产生大位移的偏转和支撑刚度。在一种示例性实施例中，垂直镜面1位移为200μm，负载重量为5kg。

进一步地，第一驱动器322可以采用带预紧的压电陶瓷，柔性壳体321可以选用钛合金、铍青铜或者不锈钢的柔性铰链，第一基座31上可以选用低热膨胀系数的金属材料。第一基座31的底部可以设置走线孔，以便于偏转驱动模块3走线引出。

进一步地，每个偏转单元32设置连接柱323，安装在位移驱动模块2和柔性壳体321之间，在柔性壳体321在纵向方向上的尺寸增加或减小时，驱动连接柱323在纵向方向上上升或下降，连接柱323上升或下降驱动位移驱动模块2和镜面1在轴向方向上发生偏转。

进一步地，连接柱323还可以同时安装在第一基座31和柔性壳体321的下部之间，在柔性壳体321在纵向方向上的尺寸增加或减小时，起到支撑作用。进一步地，连接柱323还可以与柔性壳体321设计为一体式设计，比如，柔性壳体321为柔性铰链时，连接柱323可以设置为柔性铰链的一部分。

在一些实施例中，偏转单元32为4个，4个偏转单元32采用四点均布设置。

详细地，根据偏转方向的需要可以设置偏转单元32的个数，如，可以设置四个偏转单元32。如图3所示，四个偏转单元32可以设置在第一基座31的靠近四个边的位置，成四点式均匀分布，倾斜精度可以达到小于全行程的万分之一，也就是说偏转单元32的偏转精度可以达到小于全行程的万分之一，实现稳像功能提高成像质量和分辨率。优选地，偏转角度为±1mrad，偏转精度为±0.1μrad。

在一些实施例中，如图3所示，变形镜还包括偏转台面4，设置在第一基座31的外部，适用于支撑位移驱动模块2，连接柱323连接在柔性壳体321和偏转台面4之间并从第一基座31伸出，使得偏转台面4随柔性壳体321的尺寸变化在轴向方向上发生偏转。

详细地，如图1-2所示，第一基座31上设有凹槽，偏转台面4位于凹槽上，位移驱动模块2设置在偏转台面4上。偏转台面4的底部与多个偏转单元32的连接柱323连接，当某一个连接柱323在纵向方向上上升或下降时，驱动偏转台面4与该连接柱323连接的位置上升或下降，即偏转台面4相当于第一基座31产生轴向方向的偏转，同样地，设置在偏转台面4上的位移驱动模块2也会产生轴向方向的偏转。

进一步地，偏转台面4与位移驱动模块2直接相连，使变形镜偏转中心与偏转台面4重合，降低垂直扰动带来的光线偏移，提高镜面1偏转精度。

在一些实施例中，如图1和2所示，位移驱动模块2包括：第二基座22和多个第二驱动器21。详细地，第二基座22设置于偏转驱动模块3上；多个第二驱动器21连接在第二基座22与镜面1之间，每个第二驱动器21在与轴向方向上的伸展和收缩驱动镜面1与第二驱动器21连接的部位在轴向方向产生变形。

进一步地，第二驱动器21的支撑刚度大于镜面1的刚度。第二驱动器21可以采用带预紧的压电陶瓷，第二驱动器21与镜面1之间可以选用柔性粘接，如，使用环氧胶粘接，也可以是柔性端接结构；第二驱动器21与第二基座22之间可以选用黏胶粘接或螺纹装接。第二驱动器21可以按等间距阵列与镜面1固定连接，使用数量和间距可以根据镜面尺寸需要设置，即根据通光孔径需要设置，最外围第二驱动器21尽量靠近镜面1边缘，从而满足高精度面形拟合和更均匀的镜面1作用力。在一些示例性实施例中，多个第二驱动器21布置在同心的至少一个圆周上，根据需要也可以设置为正方形、长方形、三角形等。

在一些实施例中，第二基座22包括第一支撑盘221、第二支撑盘222和多个支撑柱223。详细地，多个第二驱动器21通过黏胶粘接或螺纹安装在第一支撑盘221上；第二支撑盘222安装在偏转驱动模块3上；多个支撑柱223连接在第一支撑盘221和第二支撑盘222之间，以在第一支撑盘221和第二支撑盘222之间形成容纳空间，容纳空间可便于走线引出。第二基座材料为低热膨胀系数金属材料。

在一些实施例中，第二驱动器21包括多个压电驱动柱，多个压电驱动柱在压电驱动柱的伸缩方向上叠加。

在一些实施例中，第二驱动器21包括两个高性能压电驱动柱，第二驱动器21的驱动精度为全行程的1/10000到1/500000。

详细地，第二驱动器21可以由多个高性能压电驱动柱采用强预紧力封装结构叠加组合而成，优选地，第二驱动器21由2个高性能压电驱动柱采用强预紧力封装结构叠加组合而成，使单个压电驱动柱的行程是第二驱动器21的全行程的一半，第二驱动器21的精度为全行程的1/10000到1/500000。如，驱动柱选用压电陶瓷驱动柱，压电驱动柱直径小于10mm，两个压电驱动柱间的预紧力大于200N，第二驱动器的工作频率大于100HZ，第二驱动器21的行程大于80μm，第二驱动器21的驱动精度为2nm。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造，并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种变形镜，包括：

镜面，适用于反射照射到所述镜面上的光束；

位移驱动模块，与所述镜面固定连接，适用于基于所述镜面的柔性驱动所述镜面在多个部位中的至少一个部位产生轴向方向的变形；以及

偏转驱动模块，包括：

第一基座，所述位移驱动模块设置于所述第一基座上；以及

多个偏转单元，安装在所述第一基座内，每个所述偏转单元适用于基于所述偏转单元在所述镜面的轴向方向的尺寸变化驱动所述位移驱动模块和所述镜面在所述镜面的轴向方向上发生偏转。

2.根据权利要求1所述的变形镜，其中，每个所述偏转单元包括：

柔性壳体，设置在所述第一基座中；

第一驱动器，安装在所述柔性壳体中，所述第一驱动器在与所述镜面的轴向方向垂直的伸缩方向上的伸展和收缩驱动所述柔性壳体在所述轴向方向上的尺寸减小或者增大；以及

连接柱，安装在所述位移驱动模块和所述柔性壳体之间，使得所述位移驱动模块和所述镜面通过所述连接柱随所述柔性壳体的尺寸变化在所述轴向方向上发生偏转。

3.根据权利要求2所述的变形镜，还包括：

偏转台面，设置在所述第一基座的外部，适用于支撑所述位移驱动模块，所述连接柱连接在所述柔性壳体和所述偏转台面之间并从所述第一基座伸出，使得所述偏转台面随所述柔性壳体的尺寸变化在所述轴向方向上发生偏转。

4.根据权利要求1所述的变形镜，其中，所述位移驱动模块包括：

第二基座，设置于所述偏转驱动模块上；以及

多个第二驱动器，连接在所述第二基座与所述镜面之间，每个所述第二驱动器在与所述轴向方向上的伸展和收缩驱动所述镜面与所述第二驱动器连接的部位在所述轴向方向产生变形；

优选地，多个所述第二驱动器布置在同心的至少一个圆周上。

5.根据权利要求1所述的变形镜，其中，所述第二基座包括：

第一支撑盘，多个所述第二驱动器安装在所述第一支撑盘上；

第二支撑盘，安装在所述偏转驱动模块上；以及

多个支撑柱，连接在所述第一支撑盘和第二支撑盘之间，以在所述第一支撑盘和所述第二支撑盘之间形成容纳空间。

6.根据权利要求4所述的变形镜，其中，所述第二驱动器包括多个压电驱动柱，多个所述压电驱动柱在所述压电驱动柱的伸缩方向上叠加；

优选地，所述第二驱动器包括两个所述压电驱动柱，所述压电驱动柱直径小于10mm，两个所述压电驱动柱间的预紧力大于200N，所述第二驱动器的工作频率大于100HZ，所述第二驱动器的驱动精度为全行程的1/10000到1/500000。

7.根据权利要求4中所述的变形镜，其中：多个所述第二驱动器按等间距阵列与所述镜面固定连接，所述第二驱动器的数量和间距基于所述镜面需求设置。

8.根据权利要求1至5中任一所述的变形镜，其中，所述偏转单元为4个，所述4个偏转单元采用四点均布设置，所述偏转单元的偏转精度小于全行程的万分之一。

9.根据权利要求1至5中任一所述的变形镜，其中，所述镜面的直径与厚度比不大于500；所述镜面的材料包括单晶硅、SiC和金属片中任意一种。

10.根据权利要求1至5中任一所述的变形镜，其中，在所述镜面的相对的两个面上覆盖反射膜，所述反射膜的材料包括铝、银和金中任意一种。