RU2047880C1 - Зеркало с управляемой формой отражающей поверхности - Google Patents

Зеркало с управляемой формой отражающей поверхности Download PDF

Info

Publication number
RU2047880C1
RU2047880C1 SU4951045A RU2047880C1 RU 2047880 C1 RU2047880 C1 RU 2047880C1 SU 4951045 A SU4951045 A SU 4951045A RU 2047880 C1 RU2047880 C1 RU 2047880C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
mirror
substrate
actuators
reflecting surface
shape
Prior art date
Application number
Other languages
English (en)
Inventor
В.И. Аксинин
В.В. Аполлонов
Ю.В. Данченко
Е.А. Иванова
С.В. Кулаков
С.А. Четкин
Original Assignee
Акционерное общество закрытого типа - Научно-производственная фирма "Тор"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество закрытого типа - Научно-производственная фирма "Тор" filed Critical Акционерное общество закрытого типа - Научно-производственная фирма "Тор"
Priority to SU4951045 priority Critical patent/RU2047880C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2047880C1 publication Critical patent/RU2047880C1/ru

Links

Images

Landscapes

  • Optical Elements Other Than Lenses (AREA)

Abstract

Использование: изобретение относится к металлооптике, в частности к активным зеркалам, и может быть использовано в астрономических телескопах, лазерных системах. Сущность изобретения: зеркало содержит подложку с отражающим покрытием 1, к которой прикреплены толкатели актюаторов 2, актюаторы 3, заполнитель 4 из высокопористого ячеистого металла, опорную плиту 5, корпус 6 с патрубками 7 для подвода и отвода теплоносителя. Отражающая пластина соединена с корпусом упругим сильфоном. В рабочем состоянии зеркала на актюаторы 3 подаются управляющие сигналы, под действием которых актюаторы удлиняются или укорачиваются, деформируя подложку с отражающим покрытием 1. Варьируя величину управляющих сигналов получают отражающую поверхность заданной формы. При необходимости термостабилизации через заполнитель 4 прокачивается теплоноситель, поступающий по патрубкам 7. 1 з. п. ф-лы, 4 ил. 2 табл.

Description

Изобретение относится к металлооптике, в частности к активным зеркалам, и может быть использовано в астрономических телескопах, лазерных системах.
Известно круногабаритное облегченное металлическое зеркало, содержащее пластину-зеркало с отражающей поверхностью, пластину-подложку и заполнитель из высокопористого ячеистого металла между ними [1] Использование заполнителя позволяет добиться облегчения зеркала, термостатировать зеркало методами конвективного охлаждения, обеспечивает изготовление путем полировки оптической поверхности высокого качества за счет высокой удельной жесткости конструкции зеркала.
Недостатком этого зеркала является невозможность управления формой отражающей поверхности для компенсации искажений волнового фронта, возникающих при распространении излучения в оптической системе или атмосфере.
Указанный недостаток устранен в конструкции зеркала с управляемой формой отражающей поверхности, являющегося наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту. Зеркало состоит из опорной плиты, установленных на ней дискретных актюаторов и подложки с отражающим слоем, к которой прикреплены толкатели актюаторов [2]
Недостатками зеркала с управляемой формой отражающей поверхности являются: низкий уровень стабильности формы отражающей поверхности зеркала, обусловленный тепловым воздействием излучения и окружающей среды на подложку и тем, что все деформации опорной плиты, вызванные гравитационными, тепловыми и структурными эффектами, передаются зеркалу; массивность конструкции за счет необходимости использования тяжелой опорной плиты для обеспечения приемлемой точности смещения подложки; ограниченные размеры зеркала (как правило, диаметр зеркала не превышает 20 см), так как при увеличении диаметра подложки для обеспечения ее жесткости необходимо увеличить ее толщину, что существенно снижает диапазон смещений подложки под действием актюаторов; локальный характер воздействия актюаторов на подложку зеркала; наличие механических резонансов, ограничивающих частотный диапазон работы зеркала (частота первого резонанса, как правило, не превышает 10 кГц); несогласованность упругих характеристик элементов конструкции зеркала, что не позволяет гарантировать заданную форму функций отклика зеркала и заданный диапазон смещений подложки под действием актюаторов.
Цель изобретения повышение стабильности формы отражающей поверхности и улучшение ее качества, облегчение конструкции, увеличение диаметра зеркала, расширение динамического диапазона работы зеркала, обеспечение заданной формы функций отклика зеркала и заданного диапазона смещений подложки под действием актюаторов.
Поставленная цель достигается тем, что в известной конструкции зеркала с управляемой формой отражающей поверхности подложка, толкатели и опорная плита жестко связаны с заполнителем из высокопористого ячеистого металла, размещенным в зазоре между опорной плитой и подложкой, причем число и взаимное расположение актюаторов выбираются так, чтобы они равномерно заполняли поверхность подложки, а упругие свойства подложки, заполнителя и актюаторов, выбираются так, чтобы безразмерные параметры L и G, определяющие форму функций отклика и диапазон смещений подложки, удовлетворяли условиям: 1,1 ≅L≅3,2, G≅7,5,
где L a (K/D)1/4, G Ka(kD)-1/2;
а расстояние между актюаторами;
k модуль упругости заполнителя;
D цилиндрическая жесткость подложки,
Kа жесткость актюатора.
С целью термостатирования зеркало помещено в корпус, в которому прикреплены патрубки для подвода и отвода теплоносителя.
Приведенные выше выражения для безразмерных параметров, определяющих форму функций отклика и диапазон смещений подложки, можно получить, используя уравнения теории тонкой пластины [3]
Описываемое зеркало с управляемой формой отражающей поверхности можно рассматривать как тонкую пластину (подложка) на упругом основании (заполнитель). При определении профиля зеркальной поверхности исходят из предложения о том, что интенсивность реакции основания пропорциональна прогибам W(
Figure 00000002
) подложки зеркала. В этом случае уравнение изгиба подложки под действием поперечной нагрузки p(
Figure 00000003
) имеет вид [3] ΔΔW(
Figure 00000004
)= (p(
Figure 00000005
)- k w(
Figure 00000006
))/D (1) где k коэффициент пропорциональности, называемый модулем упругости основания;
D цилиндрическая жесткость рабочей пластины.
В частном случае подложки, нагруженной в центре силой Р, интенсивность p(
Figure 00000007
) обращается в нуль по всей площади подложки, за исключением центра, тогда уравнение (1) принимает вид
(a2/dr2 + r-1d/dr) (a2w/dr2 + r-1 dw/dr) + k/Dw 0 (2) Обозначив k/D 1-4 и введя безразмерные переменные z w/l и x r/l, получаем
ΔΔz + z 0 (3) где символом Δ обозначено d2/dx2 + (x-1 d/dx).
Общее решение уравнения (3 ) имеет вид (оставлены члены до х18включительно) [3]
w P/(8π kl2) (a1(1 1,56˙10-2x4 + 6,78 ˙10-6x8 4,71˙10-10 x12+ 9,39 ˙10-15 x16 + (a2 + lnx) (x2 1,74˙10-3x6 + 2,71˙10-7x10 9,61˙10-12x14 + 1,16˙10-16x18) + 1,45˙10-3x6 2,38˙10-7x10 + 9,19˙10-12x14 1,18˙10-16x18), (4) где а1 и а2 постоянные, определяемые из условий заделки края зеркала. В случае зеркала со свободным краем эти условия имеют вид:
(d2w/dr2 + μr-1(dw/dr)r=R 0
d/dr(d2w/dr2 + r-1 dw/dr)r=R 0, (5) где μ коэффициент Пуассона;
R радиус подложки.
При заданных размерах подложки и модулях подложки и заполнителя соотношения (5) приводятся к двум линейным относительно а1 и а2уравнениям. Из формулы (4) следует, что форма функций отклика определяется значениями а1 и а 2, которые, в свою очередь, зависят от безразмерного параметра L R/l и коэффициента Пуассона материала подложки μ Рассмотренный случай соответствует зеркалу с одним актюатором, расположенным в центре, однако, если пренебречь упругой связью актюаторов через подложку, можно применить аналогичное описание к зеркалу с несколькими актюаторами, в этом случае вместо радиуса подложки в выражения (5) входит расстояния между актюаторами а, т.е. R а. При таком рассмотрении подразумевается, что число и расположение актюаторов выбраны так, чтобы актюаторы равномерно заполняли поверхность подложки. Такое расположение позволяет использовать при управлении всю отражающую поверхность зеркала и обеспечить формирование под действием актюаторов поверхностей сложной формы.
Для эффективной коррекции искажений волнового фронта функции отклика должны удовлетворять двум условиям, во-первых, их форма должна отличаться от плоскости, характерным является минимальное изменение прогиба на расстояние а, равное 10% от максимального прогиба подложки; во-вторых, желательно иметь монотонную функцию отклика, так как это упрощает процесс управления зеркалом. Эти условия определяют диапазон изменения параметра L. На фиг.1 представлены характерные функции отклика, вычисленные при μ= 0,34 (медь) и различных значениях параметра L. При L<1 функция отклика практически не отличается от плоскости (случай L 0,1 на фиг.1), поэтому этот диапазон изменения L не представляет интереса при конструировании зеркал с управляемой формой отражающей поверхности. Как видно из табл.1 условие
Figure 00000008
=0,1 выполняется при значении L 1,1, которое является нижней границей диапазона изменения параметра L. Нарушение монотонности функции отклика происходит при L>3,2 (случай L 4 на фиг.1), таким образом, значение L 3,2 является верхней границей диапазона изменения L. Из табл.1 и фиг.1 видно что условия, наложенные на форму функций отклика, выполняются при 1,1≅L≅3,2 и не выполняются при других значениях параметра L.
При заданном параметре L для обеспечения эффективной работы актюатора необходимо согласовать жесткость актюатора и модули подложки и заполнителя. Будем характеризовать эффективность работы актюатора отношением удлинения актюатора в составе зеркала W к удлинению актюатора в свободном состоянии Wо. Удлинение актюатора совпадает со смещением подложки месте его расположения
W w(x=0) a1/P(8πkl2) -PKa -1 + Wo, (6) откуда
W/Wo 1 1/(1 + a1G/(8π)), (7) где G Ka(kD)-1/2;
Kа жесткость актюатора.
На фиг. 2 представлены зависимости W/Wo (G) при различных значениях L. Для практически важных случаев L>1,1 относительное удлинение актюатора W/Wо быстро падает с уменьшением параметра G, поэтому для обеспечения эффективной работы актюатора необходимо согласовать модули заполнителя, подложки и актюаторов. Как правило работу актюатора можно считать эффективной, если реализуется относительное удлинение W/Wo≥0,5. Чтобы это условие выполнялось для всех значений L из заданного диапазона (1,1≅L≅ 3,2), параметр G должен быть больше 7,5 (табл.2).
Описываемое зеркало с управляемой формой отражающей поверхности за счет использования заполнителя имеет высокую жесткость, поэтому повышается стабильность зеркала, появляется возможность увеличить его диаметр без утолщения подложки при сохранении высокого оптического качества отражающей поверхности, становится возможным использование подложки с произвольной (отличной от плоскости) формой отражающей поверхности. Кроме того, в данной конструкции исключается локальность воздействия актюаторов на подложку, что также позволяет получить отражающую поверхность высокого качества. В предлагаемом зеркале наличие массивной опорной плиты не является необходимым, что позволяет облегчить конструкцию. Жесткая связь между подложкой, опорной плитой и заполнителем способствует демпфированию резонансных колебаний подложки и, следовательно, увеличению частотного диапазона работы зеркала. Согласование параметров элементов конструкции зеркала и ограничение безразмерных параметров L и G позволяет получить функции отклика, обеспечивающие эффективную коррекцию искажений волнового фронта, и гарантировать диапазон смещений актюатора в составе зеркала не менее 0,5 от его смещения в свободном состоянии (вне зеркала).
Предлагаемое зеркало с управляемой формой отражающей поверхности обладает высоким уровнем термической стабильности, так как применение высокопористого ячеистого металла в качестве компактного теплообменника позволяет за счет развития поверхности теплообмена и повышения локального коэффициента теплоотдачи интенсифицировать теплопередачу, при принудительном охлаждении в таком теплообменнике в условиях практически комнатных температур реализуется более высокий уровень теплосъема, чем в традиционных системах охлаждения [4] Так, например, при прокачке через теплообменник из высокопористого ячеистого металла воздуха реализуется уровень теплосъема, равный получаемому в начальных теплообменниках при использовании в качестве теплоносителя воды.
Общий вид зеркала с управляемой формой отражающей поверхности изображен на фиг.3.
Зеркало содержит подложку с отражающим покрытием 1, к которой прикреплены толкатели актюаторов 2, актюаторы 3, заполнитель из высокопористого ячеистого металла 4, опорную плиту 5, корпус 6 с патрубками 7 для подвода и отвода теплоносителя. Отражающая пластина соединена с корпусом упругим сильфоном 8. В качестве примера на фиг.3 изображены актюаторы в виде многозаходных цилиндрических пружин [7]
Зеркало работает следующим образом.
На актюаторы 3 подаются управляющие сигналы, под действием которых актюаторы удлиняются или укорачиваются, деформируя подложку с отражающим покрытием 1. Варьируя величину управляющих сигналов, получают отражающую поверхность заданной формы. При необходимости термостабилизации через заполнитель 4 прокачивается теплоноситель, поступающий по патрубкам 7.
В качестве примера технической реализации рассмотрим 61-элементное зеркало с управляемой формой отражающей поверхности со сферической отражающей пластиной диаметром 500 мм и радиусом кривизны 3 м. Технология изготовления зеркала состоит в следующем. В подложке из пенополиуретана (марка ППУ-ЭО-100 с диаметром ячейки 3,5 мм) в форме диска диаметром 500 мм, высотой 280 мм с одной стороны перпендикулярно основанию пробковым сверлом сверлится 61 отверстие диаметром 40 мм на глубину 265 мм и соосно им с другой стороны отверстия диаметром 14 мм на глубину 15 мм, причем оси отверстий находятся в узлах гексагональной сетки с шагом 50 мм. С тыльной стороны отражающей пластины из меди марки МОО диаметром 500 мм, толщиной 5,0 мм и радиусом кривизны 3 м припаиваются цилиндрические толкатели из меди диаметром 15 мм и длиной 51 мм со шлицем и резьбой на конце. Оси толкателей направлены параллельно оси, проходящей через центр пластины. В качестве опорной плиты используется медная пластина толщиной 13 мм с 61 резьбовым отверстием. Далее в специальном приспособлении, обеспечивающем плотный контакт, собирается трехслойная конструкция "перфорированная медная опорная плита пенополиуретановая подложка медная отражающая пластина с толкателями", причем в процессе сборки обеспечивается соосность толкателей и отверстий в подложке и опорной плите. Так как диаметр толкателей на 1 мм больше, чем диаметр отверстий в подложке, обеспечивается натяг последней по образующей толкателей.
Для связи элементов зеркала между собой трехслойная конструкция помещается в раствор химического меднения и проводится металлизация, в результате которой происходит осаждение меди как на структурные элементы полимерной подложки, так и на металлические части конструкции, образуя тем самым жесткую связь между ними. Далее приводится процесс термоокислительного отжига конструкции при 500оС на воздухе, в результате которого из заполнителя удаляется пенополиуретан, а затем проводится восстановление и спекание конструкции в среде водорода при 950оС. В результате металлизации и спекания формируется прочный контакт структурных элементов (перемычек) заполнителя с подложкой, опорной плитой и толкателями. Далее в посадочные отверстия со стороны опорной плиты устанавливаются актюаторы, собранная конструкция помещается в корпус, к которому прикреплены патрубки для подвода и отвода теплоносителя, после чего производится оптическая обработка подложки зеркала.
Описанная выше последовательность получения жесткого контакта между элементами зеркала проверялась на опытном образце, представляющем из себя две медные пластины, между которыми помещался пенополиуретановый наполнитель со вставленными в него медными стержнями, прикрепленными концами к пластинам. На фиг.4 показана получившаяся структура.
Определим значения безразмерных параметров L и G для описанного 61-элементного зеркала. Цилиндрическая жесткость круглой пластины толщины h определяется выражением D Eh3/(12(1- μ2)), где Е -модуль Юнга;
μ- коэффициент Пуассона материала подложки.
Модуль упругости основания может быть определен экспериментально. Однако для оценки численных значений параметров L и G можно использовать для переменной l приближенную формулу l≈(1,24 D/Ko)1/3 [3] где Ko Eo/2(1- μo 2));
Ео модуль Юнга;
μo- коэффициент Пуассона материала основания.
Для высокопористого ячеистого металла модуль Юнга вычисляется по формуле Ео Ен (1 П)2, где Ен модуль Юнга сплошного материала;
П пористость [8]
Так как основание получено путем напыления меди, а подложка также состоит из меди, то Е Ен. В нашем случае П 0,9, μ0,34, μo= 0,045. Расстояние между актюаторами а 50 мм, толщина подложки h 5 мм. Подставляя численные значения в выражение для параметра L L a/l, получаем L 3,0, что лежит в полученном численно диапазоне. Жесткость актюатора можно оценить по порядку величины как Ка 106Н/см2, тогда G 30, т.е. также лежит в заданном диапазоне.

Claims (2)

1. ЗЕРКАЛО С УПРАВЛЯЕМОЙ ФОРМОЙ ОТРАЖАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ, содержащее актюаторы, установленные в зазоре между опорной плитой и подложкой, выполненной в виде гибкой пластины с отражающим покрытием, к которой прикреплены толкатели актюаторов, отличающееся тем, что, с целью повышения стабильности формы отражающей поверхности и улучшения ее качества, облегчения конструкции, увеличения диаметра зеркала, расширения динамического диапазона работы зеркала, обеспечения заданной формы функции отклика и заданного диапазона смещений отражающей пластины под действием актюаторов, подложка, толкатели и опорная плита жестко связаны с размещенным в зазоре между опорной плитой и подложкой заполнителем из высокопористого ячеистого металла, при этом актюаторы равномерно распределены по поверхности подложки, а упругие свойства подложки, заполнителя и актюаторов, выбираются из условий
1,1 ≅ L ≅ 3,2
G ≅ 7,5
где L a · (k/D)1 / 4 G Ka · (k D)- 1 / 2;
a расстояние между актюаторами;
k модуль упругости заполнителя;
D цилиндрическая жесткость подложки;
Kа жесткость актюатора.
2. Зеркало по п. 1, отличающееся тем, что, с целью термостатирования, зеркало помещено в корпус, к которому прикреплены патрубки для подвода и отвода теплоносителя.
SU4951045 1991-06-28 1991-06-28 Зеркало с управляемой формой отражающей поверхности RU2047880C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU4951045 RU2047880C1 (ru) 1991-06-28 1991-06-28 Зеркало с управляемой формой отражающей поверхности

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU4951045 RU2047880C1 (ru) 1991-06-28 1991-06-28 Зеркало с управляемой формой отражающей поверхности

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2047880C1 true RU2047880C1 (ru) 1995-11-10

Family

ID=21582206

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU4951045 RU2047880C1 (ru) 1991-06-28 1991-06-28 Зеркало с управляемой формой отражающей поверхности

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2047880C1 (ru)

Non-Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
J.E.Pearson et al. - J.Opt.Soc. of Amer., 1977, v.67, N 3, p.p.325-333. *
R.H.Freeman et al. - High-Speed Deformable Mirror, AFWL-TR-76-146. *
Алексеев В.А. и др. - Письма в ЖТФ, 1985, т.11, в.22, с.1350-1354. *
Аполлонов В.В. и др. Квантовая электроника. 1989, т.16, с.325-333. *
Аполлонов В.В. и др. Письма ЖТФ, 1989, т.15, в.3, с.68-71. *
Аполлонов и др. Высокопористые материалы в лазерной оптике. Проблемы и перспективы. Физико-механические свойства высокопористых материалов. Препринт ИОФ АН СССР, N 65, 1988. *
Тимошенко С.П. и Войновский-Кригер С. Пластинки и оболочки. М.: Наука, 1966, с.290-315. *
Харди Дж.У. ТИИЭР, 1978, т.66, N 6, с.31-84. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7188964B2 (en) Integrated actuator meniscus mirror
JP4524319B2 (ja) 質量緩衝装置
US6084708A (en) Double-refracting planar plate arrangement and deep ultraviolet λ/4-plate
US4726671A (en) High resonance adjustable mirror mount
US20100202071A1 (en) Deformable mirror
US4613972A (en) Resonant cavity structure for ion laser with floating plate for mirror adjustment
GB2046939A (en) Mirror
Ealey et al. Deformable mirrors: design fundamentals, key performance specifications, and parametric trades
RU2047880C1 (ru) Зеркало с управляемой формой отражающей поверхности
US5831780A (en) Continually supported thin mirror with force-type actuators
Ealey Active and adaptive optical components: the technology and future trends
US3582190A (en) High power mirror
US4155631A (en) Apparatus for compensating for thermally introduced distortions in reflecting surfaces
US4639100A (en) Astigmatic optical element, its manufacturing process, illuminating apparatus including the same and articles treated by the same
Susini et al. Conceptual design of an adaptive x‐ray mirror prototype for the ESRF
Ealey et al. Highly adaptive integrated meniscus primary mirrors
Fata et al. Design and support of the 1.7-mf/5 secondary mirror for the MMT conversion
US20070263302A1 (en) Surface Deformation Actuation Structure
RU2042963C1 (ru) Зеркало
Hookman Design of the GOES telescope secondary mirror mounting
Richard et al. Support structures for high-resolution optical systems
Vukobratovich Copyright 1999 CRC Press LLC.< http://www. engnetbase. com
Taranenko Fast-acting adaptive mirrors and their efficiency at compensating for random phase perturbations
JPH10148706A (ja) ベンディングミラー
Vukobratovich Lightweight Mirror