CN205193335U - 变曲率反射镜装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种变曲率反射镜装置，变曲率反射镜装置包括镜筒、压圈、反射镜、圆锥状超薄板形弹簧、环形支撑座、环状推力环、驱动器阵列以及用于固定驱动器阵列的支撑底盘；反射镜压入圆锥状超薄板形弹簧中并与圆锥状超薄板形弹簧形成一个整体；压圈、带有反射镜的圆锥状超薄板形弹簧、环形支撑座、环状推力环、驱动器阵列以及用于固定驱动器阵列的支撑底盘依次止靠共同设置在镜筒中并与镜筒同轴。本实用新型提供了一种空间位置稳定、不仅能够实现均匀的曲率变化还能对形变之后的面形精度的改变进行一定的补偿的变曲率反射镜装置。

Description

变曲率反射镜装置

技术领域

本实用新型属于光学领域，涉及一种变曲率反射镜装置。

背景技术

变曲率反射镜属于一种主动光学元件，其雏形最早可以追溯到1973年耶路撒冷希伯来大学的研究成果。此后，前苏联，德国，美国、法国等均围绕变曲率反射镜技术开展了大量的研究和原型装置的研制工作，中国科研人员近些年来也加入到了该领域的研究当中。

变曲率反射镜有两个主流的应用领域。其一是提升高能激光器的输出光束品质；其二是实现无运动部件光学变焦。高能激光器工作时的高功率会在谐振腔内产生极高的温度，从而使谐振腔窗口玻璃发生热变形而引入球差及离焦，进而恶化输出光束的品质。变曲率反射镜能够通过改变自身的曲率半径对热透镜效应引起的球差及离焦进行有效补偿，从而达到提升激光器光束品质的目的。传统变焦技术，无论是机械补偿式还是光学补偿式都依赖镜片或镜组之间的相对运动，在一定程度上限制了其在对空间、功耗以及稳定性等方面要求苛刻的领域中的应用。变曲率反射镜的出现为实现无运动部件变焦提供了技术上的可能性，简言之，反射镜曲率的变化对应于光焦度的改变，而局部元件光焦度的微小变化则可以通过光学杠杆效应光学设计被放大为系统焦距的大幅度改变。

反射镜曲率变化的机理根源在于薄板弹性理论。相关文献表明，目前有以下两种能够实现曲率变化的方式。第一，单驱动点直接作用于反射镜中心有限大小的区域上(该区域等效半径远小于反射镜半径)。根据薄板弹性理论，这种驱动方式在全反射镜口径范围之内既不能产生球面变形，也无法产生抛物面变形，且驱动力越大，与曲率变化所要求的理想面形改变相差就越远，因此实际中很少使用。第二，利用驱动环与支撑环两环结构，通过环形线接触负载驱动实现曲率的变化。如图1以及图2所示，这种驱动方式有两种物理上的实现形式。在第一种方式中，驱动环的一端是实体表面，另外一端则是空心的，采用单点驱动直接作用于实体表面一端的中心区域，通过实体表面端和驱动环环壁对驱动力的传导来实现反射镜曲率的变化。第二种方式中，驱动环的两端都是空心的，多个驱动器均匀分布在驱动环上，并通过驱动环环壁的作用将驱动力沿驱动器的中心轴传导到反射镜上，从而实现曲率的变化。由薄板弹性理论可知，环形线负载驱动在驱动环覆盖的区域之内能够实现完美的抛物面面形，而在驱动环之外由于剪切力的影响会叠加其他的面形模式。尽管如此，为了消除边缘效应，利用遮拦屏蔽20％以上的反射镜边缘之后，就能够基本满足曲率变化的要求。

如果说耶路撒冷希伯来大学代表了变曲率反射镜研究的起点，那么美国则成为了当今该领域研究的领跑者。美国Sandia国家实验室正是利用上述环形线负载驱动实现反射镜曲率变化的。之后，中国的多个科研机构都仿效类似的机理进行了原型装置的研制，但是存在共性的几个问题：

1)环形线负载驱动依然属于直接接触式力驱动，必然在反射镜的表面引起应力累积。当反射镜的口径及径厚比较小时，这种应力累积不足以破坏面形精度；而当反射镜的口径及径厚比较大时，反射镜表面应力的累积将对面形精度的保持形成严重的阻碍。

2)在环形线负载驱动模型中，驱动环的半径不是任意选取的。研究表明，过小的驱动环半径会会使曲率变化模型逐渐向单点直接接触式驱动模型转变，不利于理想曲率变化所需面形的产生；而过大的驱动环半径则要求驱动环产生更大的驱动力，更大的驱动力会加剧反射镜表面应力的累积，不利于面形精度的保持。因此驱动环的半径应该得到优化。

3)环形线负载模型要求反射镜的边缘处于简支状态(只限制位移，不限制转动)，而最简单的实现简支的方法就是令反射镜与支撑结构之间相互独立，反射镜沿其与支撑结构的接触位置允许自由伸缩。然而，这种方式要求反射镜、驱动单元与镜筒的中心轴高度共线，否则当反射镜曲率变化时，反射镜与镜筒之间就会产生间隙，三轴之间的不共线会使反射镜沿与中心轴垂直的平面侧向滑动，从而引入非对称的驱动，进而破坏反射镜的面形精度。此外，如果发生侧向滑动，就意味着反射镜在一些位置处还会受到来自镜筒结构的挤压，会更加恶化反射镜的面形精度。因此，在满足简支条件的前提下，应该解决反射镜形变过程中的位置稳定性问题。

4)在反射镜、驱动单元与镜筒之间高度共线的假设下，在实现了驱动环半径优化的条件下，机械接触式驱动方式产生的反射镜表面的应力累积依然不能消除，而且随着所需中心形变的增大，应力也将同步增大。因此，应该在曲率变化的结构当中引入面形精度的后期调整。

美国(Appl.Phys.B82,275–281(2006))，中国(CN201010108376.6)，中国(光学精密工程，18(8)：1781-1787，2010)等采用的都是如图1所展示的第一种单驱动点环形线负载曲率变化结构，无法同时解决背景技术中所提及的几个问题，同时也没有对环形线负载驱动曲率变化结构(尤其是驱动环的半径)进行优化。

实用新型内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种空间位置稳定、不仅能够实现均匀的曲率变化还能对形变之后的面形精度的改变进行一定的补偿的变曲率反射镜装置。

本实用新型的技术解决方案是：本实用新型提供了一种变曲率反射镜装置，其特殊之处在于：所述变曲率反射镜装置包括镜筒、压圈、反射镜、圆锥状超薄板形弹簧、环形支撑座、环状推力环、驱动器阵列以及用于固定驱动器阵列的支撑底盘；所述反射镜压入圆锥状超薄板形弹簧中并与圆锥状超薄板形弹簧形成一个整体；所述压圈、带有反射镜的圆锥状超薄板形弹簧、环形支撑座、环状推力环、驱动器阵列以及用于固定驱动器阵列的支撑底盘依次止靠共同设置在镜筒中并与镜筒同轴。

上述环状推力环的半径等于支撑环半径的1/2。

上述驱动器阵列包括多个压电陶瓷驱动器；所述压电陶瓷驱动器整体呈环状分布；所述驱动器阵列中每个压电陶瓷驱动器所具有的施力轴相互平行。

上述整体呈环状分布的多个压电陶瓷驱动器的头部均与环状推力环通过销钉连接；所述整体呈环状分布的多个压电陶瓷驱动器的尾部均与支撑底盘通过螺钉连接；所述驱动器阵列中的每个压电陶瓷驱动器均与支撑底盘之间设置有可调的接触间隙。

上述压圈与镜筒接触的部位设置有螺纹，所述压圈通过螺纹与镜筒连接。

上述反射镜、压圈、圆锥状超薄板形弹簧、环状推力环以及环形支撑座均采用相同材料制成；所述镜筒以及支撑底盘所采用材料的强度均高于反射镜所采用材料的强度。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供的变曲率反射镜装置包括镜筒、压圈、反射镜、圆锥状超薄板形弹簧、环形支撑座、环状推力环、驱动器阵列以及用于固定驱动器阵列的支撑底盘；反射镜压入圆锥状超薄板形弹簧中并与圆锥状超薄板形弹簧形成一个整体；压圈、带有反射镜的圆锥状超薄板形弹簧、环形支撑座、环状推力环、驱动器阵列以及用于固定驱动器阵列的支撑底盘依次止靠共同设置在镜筒中并与镜筒同轴；环状推力环的半径等于支撑环半径的1/2。该装置实现曲率变化的物理机理是环形线接触负载驱动，由薄板弹性理论作为理论上的支撑，存在两种物理上的实现形式。与已有的单驱动点环形线负载驱动曲率变化原型装置不同，本实用新型提出的装置采用多驱动点均匀分布于驱动环上进行叠加驱动的方式。在对驱动环的半径进行优化之后(支撑环半径的1/2)，通过引入圆锥状超薄板形弹簧保持反射镜形变过程中的空间位置稳定，该装置不但能够实现均匀的曲率变化，产生较大的中心形变，而且能够凭借多个驱动自由度之间的相对关系的微量变化来对形变之后的面形精度的改变进行一定的补偿。环状推力环的半径取支撑环半径的1/2，能够实现“较小的驱动力产生较大的中心形变”的目标。圆锥状环形超薄板簧的引入能够实现曲率变化过程中的反射镜空间位置稳定，消除侧向滑动。与驱动环连接的均匀分布的由多个驱动器组成的环形驱动器阵列能够通过各自的高精度微量调整实现面形精度的提升。

附图说明

图1是环形线接触负载驱动曲率变化机理的物理上的实现形式示意图；

图2是环形线接触负载驱动曲率变化机理的物理上的另一实现形式示意图；

图3是本实用新型所采用的镜筒的外部结构示意图；

图4是本实用新型所采用的镜筒的内部结构爆炸图；

图5是本实用新型所采用的镜筒剖视结构示意图；

图6(a)是在以既定的中心形变为目标约束的前提下，以单晶硅为反射镜材料时对应的所需驱动力大小与驱动环半径之间的数值对应关系图；

图6(b)是在以既定的中心形变为目标约束的前提下，以K9玻璃为反射镜材料时对应的所需驱动力大小与驱动环半径之间的数值对应关系图；

图6(c)是在以既定的中心形变为目标约束的前提下，以AISI420不锈钢为反射镜材料时对应的所需驱动力大小与驱动环半径之间的数值对应关系图；

其中：

1-压圈；2-板簧；3-反射镜；4-驱动环；5-驱动器阵列；6-底盘；7-进动调整部件。

具体实施方式

本实用新型就是针对环形线负载驱动实现反射镜曲率变化的结构提出了改进的措施，旨在解决上述的4个问题，从而实现曲率变化的同时也能够获得高品质的面形精度。

涉及一种变曲率反射镜装置，由弹性薄板理论中的环形线负载驱动机理产生，在驱动环与支撑环两环结构的共同作用下，实现反射镜曲率的改变。与此同时，还能够借助沿驱动环均匀分布的多个驱动器的相对微量调整对反射镜形变过程中的面形精度变化进行一定的补偿。

本实用新型提出的变曲率反射镜装置采用机理依然是环形线负载接触驱动。但是与美国(Appl.Phys.B82,275–281(2006))，中国专利(CN201010108376.6)，中国(光学精密工程，18(8)：1781-1787，2010)等装置采用图1的不同，这里通过在驱动环上均匀分布多个驱动器并利用驱动环的环壁将驱动力传导到反射镜上来实现曲率的变化，如图2所示。

本实用新型提出变曲率反射镜装置如图3、图4以及图5所示，该装置由压圈1，反射镜3，板簧2(圆锥状超薄板形弹簧)，带有环形支撑座的镜筒、驱动单元以及调节驱动单元沿轴向进动的进动调整部件7组成。其中，驱动单元由环状推力环，呈环状分布的由多个压电陶瓷驱动器构成的驱动阵列以及固定压电陶瓷驱动器阵列5的底盘6组成，该底盘6同时也是整个镜筒结构的底盘6。

反射镜被压入圆锥状超薄板形弹簧，利用板形弹簧的弹力使两者成为一个整体；压圈1带有外螺纹，镜筒头部带有内螺纹，压圈1以旋转压接的方式将带有板形弹簧环绕的反射镜固定在其自身与环形支撑座之间，反射镜与压圈1及支撑座之间仅靠相对压力及结构限位固定，无其他粘接或机械连接；呈环状分布的多个压电陶瓷驱动器的头部与驱动环4底端以销钉方式连接，底部与支撑底盘6则采用螺钉连接，且每个驱动器与底盘6之间的接触间隙可调。

反射镜、压圈1、圆锥状超薄板形弹簧、环状推力环及用于支撑反射镜的环形支撑座均采用同质材料；镜筒及固定压电陶瓷驱动器阵列5的底盘6材料其强度高于反射镜；压电陶瓷驱动器本身刚度接近不锈钢。

所有与反射镜接触的位置，以及可产生相对滑动的表面均进行亚微米级的高精度研磨抛光。压圈1及环形支撑座与反射镜接触的位置均进行倒角，并局部涂覆石蜡或滑石粉。

与此同时，驱动环4、支撑环与反射镜之间呈线接触。驱动环4与支撑环半径不同，且驱动环4的半径等于支撑环半径的1/2。压圈1、反射镜以及驱动单元产生的驱动力都与整个镜筒的中心轴共线，且驱动单元中每一个压电陶瓷驱动器所具有的施力轴之间都相互平行。驱动单元作为装置中的独立单元，其与反射镜预紧接触程度可由其沿整体轴线方向的进动控制。反射镜在完成曲率的变化之后，可以通过驱动单元中不同驱动器的微量调节来实现面形精度的调整。

如图3、图4以及图5所示，本实用新型所提出的装置与已有的变曲率反射镜装置最大的差别在于两点：第一，驱动力不是由单一一个压电陶瓷驱动器提供，而是由多个均匀分布于驱动环4上的驱动器共同产生。第二，引入圆锥状环形超薄板簧2之后，利用超薄板簧2自身的弹性，在反射镜形变伸缩的过程中使其中心轴线不发生大尺度的改变。多个压电陶瓷驱动器的叠加应用不但能够增大最终可以得到的实际中心形变量，而且是装置具备了完成曲率变化以后对反射镜的面形精度进行一定程度调节的能力。形变过程中反射镜中心轴线的稳定则能够避免其侧向滑动以及由此导致的镜筒非均匀挤压而产生的非均匀驱动引起面形精度严重退化的现象。

如上所述，在环形线负载驱动变曲率结构中，驱动环4半径的大小对整个装置的使用及性能有着直接的影响，不应该随机地选取。从薄板弹性理论出发，以产生特定的中心形变为约束条件，可以获得不同反射镜镜面材料对应的所需驱动力与驱动环4半径之间的数值关系。图6(a)、图6(b)以及图6(c)分别是在以既定的中心形变为目标约束的前提下，以不同反射镜材料对应的所需驱动力大小与驱动环4半径之间的数值对应关系图；其中，三种不同的反射镜材料分别为K9玻璃(E＝88GPa，v＝0.215)(图6(b))、单晶硅(E＝160GPa，ν＝0.23)(图6(a))以及AISI420不锈钢(E＝215GPa，v＝0.305)(图6(c))，另外反射镜的有效口径及厚度非别是88mm和3mm。假定所需中心形变分别等于3um，5um，10um，15um以及20um，那么由图6(a)、图6(b)以及图6(c)可知，无论是哪种反射镜材料，当驱动环4半径超过1/2支撑环半径之后，形变所需要的驱动力都将急剧增加，而当驱动环4半径小于1/2支撑环半径时，达到相同中心形变所需的驱动力并没有太大变化。当所期望的形变量增大时，这种临界效应就变得更加显著。对于单晶硅反射镜来说，若以中心形变量20um为例，当驱动环4半径从8.8mm增加到22mm时，总驱动力W的大小从70N增加到100N左右，仅仅改变了30N，而从22mm增加到35.2mm时，总驱动力W的大小从100N增加到了260N左右，改变了近160N。虽然驱动环4半径越小，所需的驱动力就越小，但是由于过小的驱动环4半径不利于产生理想的曲率变化，因此这里猜测，当驱动环4的半径取为支撑环半径1/2的数值时，有可能实现“较小的驱动力实现较大的中心形变”这一目标。通过对其他材料反射镜，如不锈钢反射镜以及K9玻璃反射镜进行类似的分析以后，本实用新型认为，驱动环4半径接近最佳的取值应该为支撑环半径的一半。此时，不但能够以较小的驱动力实现较大的中心形变，而这对于降低反射镜表面应力的累积以及形变后的面形保持都是有益的。

利用本实用新型提出的基于环形线负载驱动的变曲率反射镜装置，研制了一个原型装置。其中，反射镜的口径100mm，有效口径88mm，厚度3m，驱动环4半径22mm，支撑环半径44mm，圆锥状超薄板形弹簧厚度1mm，反射镜材料为铍青铜，与反射镜接触的结构也都采用同质材料，镜筒、底盘6及进动部件采用高强度不锈钢。驱动器采用PI公司的P845.40，通过匹配设计，半径22mm的驱动环4上只能均匀分布6个驱动器。按照特定的步长，如5um，使每一个压电淘气驱动器都产生固定的位移，并在此基础上通过驱动环4环壁传导到反射镜的背部，就能够实现曲率的变化。该装置能够实现较为理想的曲率变化效果，而且在驱动器的极限驱动能力既定以及干涉仪测量精度固定的前提下，可以实现超过30个波长(波长为632.8nm)的中心形变，从而证明了该装置的有效。

Claims (6)

1.一种变曲率反射镜装置，其特征在于：所述变曲率反射镜装置包括镜筒、压圈、反射镜、圆锥状超薄板形弹簧、环形支撑座、环状推力环、驱动器阵列以及用于固定驱动器阵列的支撑底盘；所述反射镜压入圆锥状超薄板形弹簧中并与圆锥状超薄板形弹簧形成一个整体；所述压圈、带有反射镜的圆锥状超薄板形弹簧、环形支撑座、环状推力环、驱动器阵列以及用于固定驱动器阵列的支撑底盘依次止靠共同设置在镜筒中并与镜筒同轴。

2.根据权利要求1所述的变曲率反射镜装置，其特征在于：所述环状推力环的半径等于支撑环半径的1/2。

3.根据权利要求1或2所述的变曲率反射镜装置，其特征在于：所述驱动器阵列包括多个压电陶瓷驱动器；所述压电陶瓷驱动器整体呈环状分布；所述驱动器阵列中每个压电陶瓷驱动器所具有的施力轴相互平行。

4.根据权利要求3所述的变曲率反射镜装置，其特征在于：所述整体呈环状分布的多个压电陶瓷驱动器的头部均与环状推力环通过销钉连接；所述整体呈环状分布的多个压电陶瓷驱动器的尾部均与支撑底盘通过螺钉连接；所述驱动器阵列中的每个压电陶瓷驱动器均与支撑底盘之间设置有可调的接触间隙。

5.根据权利要求4所述的变曲率反射镜装置，其特征在于：所述压圈与镜筒接触的部位设置有螺纹，所述压圈通过螺纹与镜筒连接。

6.根据权利要求5所述的变曲率反射镜装置，其特征在于：所述反射镜、压圈、圆锥状超薄板形弹簧、环状推力环以及环形支撑座均采用相同材料制成；所述镜筒以及支撑底盘所采用材料的强度均高于反射镜所采用材料的强度。