CN116953916A - 一种变形镜 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种变形镜，包括基座9、驱动机构、镜面1，驱动机构包括多个驱动柱13，多个所述驱动柱13呈阵列化排布于所述基座9上，并且每一所述驱动柱13的底部与所述基座9进行紧配；所述镜面1上下表面镀有反射膜，所述镜面1的下表面通过极头2与所述驱动柱13的顶端柔性粘接。本公开提供的变形镜可实现高精度的大行程低阶像差校正和小行程高阶像差校正，同时，兼具高工作频率。本公开通过优化的变形镜结构和驱动柱结构，确保变形镜在高工作频率下的大行程和高精度调控。显著提高了自适应光学系统性能，在大视场、宽光谱范围、大焦距变焦、精密成像自适应光学系统中具有显著优势。

Description

一种变形镜

技术领域

本公开涉及自适应光学技术领域，特别涉及一种变形镜。

背景技术

17世纪初人类有了望远镜后，大大提高了人类对远方目标的观察能力，但开始使用望远镜不久后就发现了大气对观测的影响，当放大倍率较大时，成像光斑模糊抖动，十分影响观测分辨力，这就是大气湍流产生动态波前误差的结果，为了克服大气扰动等动态影响，获得接近系统衍射极限的分辨率，20世纪50年代美国天文学家巴布科克(H.W.Babkock)首次提出了自适应光学系统架构。自适应光学系统有三个基本组成部分：波前传感器，波前控制器以及波前校正器，波前校正器的发展水平从某种意义上代表了自适应光学技术的发展水平，其工作的本质是改变入射光束的波前形状，主要通过变形镜实现。

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。此外，受驱动电流限制，驱动器在大行程连续工作条件下，需要降低工作频率，目前市面上小尺寸的驱动器，在行程大于80μm的全行程运动情况下，工作频率低于100Hz。

公开内容

本公开的主要目的是提供一种变形镜，旨在解决高频率、高幅值相位误差补偿的技术问题。

为实现上述目的，本公开提供一种变形镜，包括：

基座；

驱动机构，包括多个驱动柱，多个所述驱动柱呈阵列化排布于所述基座上，并且每一所述驱动柱的底部与所述基座进行紧配连接；

镜面，所述镜面上下表面镀有反射膜，所述镜面的下表面通过极头与所述驱动柱的顶端柔性粘接。

可选地，所述驱动柱包括多个位移驱动器和外壳，多个所述位移驱动器沿竖直方向叠设，所述外壳用以将多个所述位移驱动器封装成一体。

可选地，所叠加的所述位移驱动器的数量与目标行程相匹配，并且所述驱动柱的精度与所述位移驱动器的数量呈线性关系，所述驱动柱的精度优于所述位移驱动器全行程的1/10000。

可选地，所述驱动柱按阵列化等间距排布，所述驱动柱的尺寸小于10mm，所述驱动柱采用与其尺寸相对应的等效电容以满足其高频率应用需求；

其中，所述外壳为强预紧力弹性结构，所述外壳的材料为高强度材料，以提高驱动机构的整体刚度，从而保障所述驱动机构的高频工作。

可选地，所述镜面为圆形，径厚比不大于500，所述镜面材料包括单晶硅、SiC、金属，所述反射膜的材料包括铝、银、金。

可选地，所述位移驱动器的制成材料包括层叠压电片、电致伸缩材料。

可选地，所述柔性粘接包括环氧胶或柔性端接，所述紧配包括黏胶粘接、螺纹装接。

可选地，所述极头为球形端接结构，所述极头的制成材料为与所述镜面的热膨胀系数一致的材料。

可选地，所述基座呈阶梯状设置，所述基座的底部设有开口。

可选地，所述基座的制成材料为低热膨胀系数金属材料。

本公开提供的变形镜，包括基座、驱动机构、镜面，驱动机构包括多个驱动柱，多个所述驱动柱呈阵列化排布于所述基座上，并且每一所述驱动柱的底部所述基座进行紧配；所述镜面上下表面镀有反射膜，所述镜面的下表面通过极头与所述驱动柱的顶端柔性粘接。本公开提供的变形镜可实现高精度的大行程低阶像差校正和小行程高阶像差校正，同时，兼具高工作频率。本公开通过优化的变形镜结构和驱动柱结构，确保变形镜在高工作频率下的大行程和高精度调控。显著提高了自适应光学系统性能，在大视场、宽光谱范围、大焦距变焦、精密成像自适应光学系统中具有显著优势。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本公开提供的变形镜一实施例的结构示意图；

图2为图1中驱动柱的结构示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				1	镜面	7	第一位移驱动器
2	极头	8	第二位移驱动器
				3	第一压电驱动器	9	基座
4	第一外壳	10	第一端接口
				5	第二压电驱动器	11	第二端接口
6	第二外壳	13	驱动柱

本公开目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

需要说明，若本公开实施例中有涉及方向性指示，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本公开实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。还有就是，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本公开要求的保护范围之内。

参见图1，变形镜包括基座9、驱动机构、镜面1。其中，驱动机构包括多个驱动柱13，多个驱动柱13按阵列化等间距排布，最外围的驱动柱13尽量靠近镜面1的边缘，从而满足高精度面形拟合和更均匀的镜面1的作用力。驱动柱13的具体使用数量、间距等与通光孔径有关，孔径大数量就多，间距也可以相对变大，驱动柱13的尺寸为小尺寸设计，具体以本实施方式为例小于10mm，小尺寸设计会有小的等效电容，等效电容小，所需的驱动电流小，提高了动态性能，从而满足高频应用需求。

此外，镜面1的上下表面镀有膜，以保证镜面1的应力控制，提高镜面1的平整度。以本实施方式为例，镜面平整度小于5nm。为了满足高反射率，镀的膜为高反射率材料，可以是金属铝、银、金等，以本实施方式为例，膜使用金属铝，反射率在80％以上。镜面1的下表面通过极头与驱动柱13的顶端柔性粘接。

参见图1、图2所示，驱动柱13的组成包括多个位移驱动器和外壳，位移驱动器沿沿竖直方向叠设，多驱动柱叠加来增大变形镜行程。此外，位移驱动器的外侧还被外壳包裹着，外壳为强预紧力外壳，为弹性锯齿结构，材料为高强度金属材料，以提高驱动器整体刚度，从而保障驱动器高频工作。在本实施例中，外壳的材料使用的是不锈钢，第一端接口10和第二端接口11分别与极头2以及基座9进行装接紧固，其形状可根据具体应用进行修改，以本实施方式为例，第一端接口10和第二端接口11形状为矩形。

在本实施例中，每一驱动柱13是由两个位移驱动器组成的，相对应的外壳也是分为两部分构成。具体地，参见图2，第一位移驱动器7和第二位移驱动器8叠加构成驱动柱的内核，第一位移驱动器7和第二位移驱动器8均是压电驱动器。第一位移驱动器7由第一外壳4封装第一压电陶瓷3构成，第二位移驱动器8由第二外壳6封装第二压电陶瓷5构成，两封装结构进行一体化集成，以提高驱动器整体刚度和动态性能。谐振频率为工作频率的3倍以上，驱动器工作频率大于100Hz。所述外壳为强预紧力弹性结构，所述外壳的材料为高强度材料，以提高驱动机构的整体刚度，从而保障所述驱动机构的高频工作。

此外，驱动柱的材料可以是高性能的层叠压电片、电致伸缩材料等。驱动器精度优于全行程的1/10000。所叠加的驱动柱数量取决于目标行程要求，驱动器精度会随驱动柱数量增大线性增长，其最大数量取决于驱动器精度要求。

本公开变形镜的驱动柱13由多个位移驱动器叠加而成，可以满足大行程的应用需求，同时缩小驱动器尺寸，允许在通光口径内摆放更多的驱动器，从而提高镜面拟合精度。受驱动电流限制，驱动器在大行程连续工作条件下，需要降低工作频率，目前市面上小尺寸的驱动器，在行程大于80μm的全行程运动情况下，工作频率低于100Hz，本公开的驱动器可以满足全行程的高频应用，从而提高变形镜工作带宽，以匹配大气湍流的时间特性，提高成像质量。

进一步地，在本实施例中，镜面1为圆形，径厚比不大于500，以实现低刚度设计，提高变形镜行程，镜面1损失驱动器行程的0.5％。镜面1材料为高强度材料，可以是单晶硅、SiC、金属片等，在本实施例中，镜面1的材料为单晶硅。

进一步地，在本实施例中，极头和镜面之间是通过柔性粘接黏合在一起的，具体地柔性粘接包括环氧胶或柔性端接结构。驱动柱(13)和底座之间是通过紧配连接的，具体地紧配连接包括黏胶粘接或螺纹装接等。极头2为球形端接结构，其材料为与镜面1的热膨胀系数近似的材料。基座9为双层设计，底部进行开口设计，中间悬空部分便于走线引出和散热，材料为低热膨胀系数金属材料，保障变形镜支撑稳定性和热稳定性。在本实施例中，使用殷钢材料。

综上所述，变形镜由镜面1、驱动柱13、基座9三部分组成，通过对变形镜和驱动柱13的结构优化，具有大行程、高精度、高频率的特点，可以精确、快速、大幅度的调整镜面面形，实现各阶波前像差的校正，使成像系统，具有补偿远距离大气扰动的高幅值相位误差能力。解决传统变焦系统需要复杂的镜头组来实现对目标物的对焦、对焦速度慢的缺点，提升对焦效率，实现快速变焦成像。

与目前变形镜相比，本公开通过降低镜面1的刚度、多驱动柱13叠加来增大变形镜行程；通过极头2和柔性端接，降低印透效应引起的高频像差，从而提高变形镜精度；通过外壳的强预紧力，提高驱动柱13刚度、减小驱动器尺寸、减小等效电容，提高变形镜工作频率。优化的变形镜结构和驱动柱13的结构，确保变形镜在高工作频率下的大行程和高精度调控。显著提高了自适应光学系统性能，在大视场、宽光谱范围、大焦距变焦、精密成像自适应光学系统中具有显著优势。除成像领域外，该变形镜也可应用于激光核聚变系统中提高激光强度、空间光通信系统中降低误码率、以及应用于极致自适应光学系统中探测探测太阳系外行星等。

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，所应理解的是，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。最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本公开的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种变形镜，其特征在于，包括：

基座(9)；

驱动机构，包括多个驱动柱(13)，多个所述驱动柱(13)呈阵列化排布于所述基座(9)上，并且每一所述驱动柱(13)的底部与所述基座(9)进行紧配连接；

镜面(1)，所述镜面(1)上下表面镀有反射膜，所述镜面(1)的下表面通过极头(2)与所述驱动柱(13)的顶端柔性粘接。

2.如权利要求1所述的变形镜，其特征在于，所述驱动柱(13)包括多个位移驱动器和外壳，多个所述位移驱动器沿竖直方向叠设，所述外壳用以将多个所述位移驱动器封装成一体。

3.如权利要求2所述的变形镜，其特征在于，所叠加的所述位移驱动器的数量与目标行程相匹配，并且所述驱动柱的精度与所述位移驱动器的数量呈线性关系，所述驱动柱的精度优于所述位移驱动器全行程的1/10000。

4.如权利要求2所述的变形镜，其特征在于，所述驱动柱(13)按阵列化等间距排布，所述驱动柱(13)的尺寸小于10mm，所述驱动柱(13)采用与其尺寸相对应的等效电容以满足其高频率应用需求；

其中，所述外壳为强预紧力弹性结构，所述外壳的材料为高强度材料，以提高驱动机构的整体刚度，从而保障所述驱动机构的高频工作。

5.如权利要求1所述的变形镜，其特征在于，所述镜面(1)为圆形，其直径与厚度之比不大于500，所述镜面(1)材料包括单晶硅、SiC、金属，所述反射膜的材料包括铝、银、金。

6.如权利要求2所述的变形镜，其特征在于，所述位移驱动器的制成材料包括包括层叠压电片、电致伸缩材料。

7.如权利要求1所述的变形镜，其特征在于，所述柔性粘接包括环氧胶或柔性端接，所述紧配包括黏胶粘接、螺纹装接。

8.如权利要求1所述的变形镜，其特征在于，所述极头(2)为球形端接结构，所述极头(2)的制成材料为与所述镜面(1)的热膨胀系数一致的材料。

9.如权利要求1所述的变形镜，其特征在于，所述基座(9)呈阶梯状设置，所述基座(9)的底部设有开口。

10.如权利要求1所述的变形镜，其特征在于，所述基座(9)的制成材料为低热膨胀系数金属材料。