球面金屬變形鏡及其一體化加工工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)領(lǐng)域，涉及一種球面金屬變形鏡及其一體化加工工藝，尤其涉及一種大口徑/大徑厚比球面金屬變形鏡及其一體化加工工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]變形鏡用于成像系統(tǒng)的波前校正或反射鏡本身面形精度的校正，已經(jīng)在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。世界上比較著名的致力于變形鏡技術(shù)研究的機(jī)構(gòu)和公司有:美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)、美國(guó)Boston大學(xué)精密工程研究實(shí)驗(yàn)室(PERL)、TI公司、加州大學(xué)Berkeley分校、荷蘭OKO公司、法國(guó)ALPAO公司、Imaging Optik公司、美國(guó)BMC公司、Iris AO公司以及Intellite公司等。
[0003]變形鏡作為自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的核心器件，按照驅(qū)動(dòng)方式來(lái)分，主要有壓電式、電磁式、靜電吸引式、電致伸縮式以及液壓式等幾類(lèi)。而按照反射鏡鏡面的形式來(lái)分，又可以分為連續(xù)鏡面式、分塊平移式以及分塊傾斜加平移式等結(jié)構(gòu)。由于壓電驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)速度快，位移分辨率高，可以提供的驅(qū)動(dòng)力大，且具有較低的功耗，所以實(shí)用化程度最高。另外，考慮到連續(xù)鏡面不存在衍射效應(yīng)，不損失光能量，能夠擬合連續(xù)波面，在反射鏡口徑中等的情況下成為了變形鏡方案設(shè)計(jì)及研制的首選。因此，將壓電驅(qū)動(dòng)原理和連續(xù)鏡面設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)合，就構(gòu)成了目前廣泛采用的連續(xù)鏡面式壓電驅(qū)動(dòng)變形鏡。
[0004]連續(xù)鏡面式壓電驅(qū)動(dòng)變形鏡具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大、擬合誤差小、能保持連續(xù)相位等諸多優(yōu)點(diǎn)，在采用了層疊壓電陶瓷之后，單元驅(qū)動(dòng)器的形變可以增大很多，同時(shí)驅(qū)動(dòng)器與鏡面之間還能夠根據(jù)需要設(shè)計(jì)各種結(jié)構(gòu)，具有非常強(qiáng)的實(shí)施靈活設(shè)計(jì)的潛力。連續(xù)鏡面式壓電變形鏡的結(jié)構(gòu)由反射鏡、驅(qū)動(dòng)器陣列和支撐底盤(pán)三個(gè)部分組成。其基本工作原理是:驅(qū)動(dòng)器陣列固定在支撐底盤(pán)上，通過(guò)改變加載于壓電陶瓷上的電壓值來(lái)使鏡面產(chǎn)生不同的形變，達(dá)到動(dòng)態(tài)改變反射鏡面形并據(jù)此補(bǔ)償波前畸變的目的。對(duì)于壓電驅(qū)動(dòng)連續(xù)經(jīng)面式變形鏡來(lái)說(shuō)，反射鏡的鏡面邊緣是自由的，所以驅(qū)動(dòng)器陣列除了起到波前校正的作用以夕卜，還起到支撐反射鏡鏡面的作用。
[0005]目前，市場(chǎng)上可以獲得的科學(xué)級(jí)變形鏡器件具有以下兩個(gè)特點(diǎn):第一，初始表面形狀是平面；第二，口徑大多是小于50_，更大口徑的器件幾乎看不到。平面變形鏡僅起到波前校正作用，對(duì)系統(tǒng)的總體光焦度沒(méi)有貢獻(xiàn)，也起不到系統(tǒng)初始像差平衡的作用；較小口徑將嚴(yán)重限制變形鏡在大型系統(tǒng)中的應(yīng)用，由于波前校正需要在孔徑、入瞳或者出瞳上實(shí)施，對(duì)光束進(jìn)行過(guò)度壓縮將對(duì)波前的測(cè)量和補(bǔ)償精度帶來(lái)影響。因此，較大口徑的球面變形鏡是研究方向之一。此外，玻璃材料，比如k4，單晶硅以及碳化硅等材料是變形鏡反射鏡鏡面的常用材料，因?yàn)椴Ａь?lèi)材料易于獲得高精度的光學(xué)表面。但是，玻璃材料質(zhì)地偏軟，極限許用應(yīng)力較低，因此基于玻璃基底的變形反射鏡的校正動(dòng)態(tài)范圍小，且工作帶寬偏低。相比之下，金屬材料彈性好，極限許用應(yīng)力較高，因此以其作為變形反射鏡的支撐底盤(pán)可以獲得較大的校正動(dòng)態(tài)范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)【背景技術(shù)】中描述的現(xiàn)有變形鏡技術(shù)的局限性，本發(fā)明提供了一種可提供更大校正動(dòng)態(tài)范圍以及更高工作帶寬的球面金屬變形鏡及其一體化加工工藝。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
[0008]本發(fā)明提出了一種球面金屬變形鏡，其特征在于:所述球面金屬變形鏡包括反射鏡、驅(qū)動(dòng)器陣列以及支撐底盤(pán)；所述反射鏡與驅(qū)動(dòng)器陣列之間通過(guò)過(guò)渡接頭并以膠接方式連接，所述支撐底盤(pán)與驅(qū)動(dòng)器陣列之間以螺接方式連接。
[0009]上述反射鏡的工作表面為球面，所述反射鏡的基底是金屬材料，所述反射鏡的口徑不低于100mm，所述反射鏡的徑厚比不小于30。
[0010]上述驅(qū)動(dòng)器陣列包括多個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器；所述多個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器以正六邊形的方式排布。
[0011]上述驅(qū)動(dòng)器陣列由61個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器組成。
[0012]上述支撐底盤(pán)所采用材料的剛度遠(yuǎn)大于反射鏡所采用材料的剛度。
[0013]本發(fā)明提出了一種針對(duì)如上所述的球面金屬變形鏡的一體化加工工藝，其特殊之處在于:所述一體化加工工藝包括以下步驟:
[0014]I)超薄金屬反射鏡的粗加工及表面成型加工；
[0015]2)將壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器陣列與支撐底盤(pán)通過(guò)螺釘連接；
[0016]3)從壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器陣列的頭部套入用于限位及增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)器陣列剛度的網(wǎng)孔裝保護(hù)性工裝，并在網(wǎng)孔裝保護(hù)性工裝與支撐底盤(pán)之間設(shè)置三個(gè)墊塊，三個(gè)墊塊呈120°分布；
[0017]4)在驅(qū)動(dòng)器陣列中的每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的頭部安裝用于與反射鏡背部粘接的過(guò)渡接頭，所述過(guò)渡接頭的長(zhǎng)度通過(guò)計(jì)算精確獲得；
[0018]5)對(duì)過(guò)渡接頭進(jìn)行研磨，使過(guò)渡接頭與反射鏡背部曲率的走向匹配；
[0019]6)將反射鏡與過(guò)渡接頭進(jìn)行膠接，靜置使粘接用膠完全固化；
[0020]7)利用單點(diǎn)金剛石車(chē)床對(duì)帶有驅(qū)動(dòng)器及支撐底盤(pán)的球面金屬變形鏡進(jìn)行車(chē)削加工，達(dá)到I個(gè)波長(zhǎng)量級(jí)的面形精度；
[0021]8)對(duì)經(jīng)過(guò)步驟7)后的球面金屬變形鏡進(jìn)行精密光學(xué)拋光，達(dá)到優(yōu)于1/10個(gè)波長(zhǎng)面形精度。
[0022]本發(fā)明的有益效果是:
[0023]本發(fā)明提供了一種球面金屬變形鏡及其一體化加工工藝，該球面金屬變形鏡與傳統(tǒng)的變形鏡結(jié)構(gòu)形式相同，均包括支撐底盤(pán)、驅(qū)動(dòng)器陣列以及反射鏡三個(gè)部件，反射鏡通過(guò)驅(qū)動(dòng)器設(shè)置在支撐底盤(pán)上；不同之處在于反射鏡的口徑大于10mm ;反射鏡的徑厚比大于30。初始表面為球面，允許變形鏡在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段就參與像差平衡；同時(shí)本發(fā)明對(duì)變形鏡所采用的材料進(jìn)行篩選，反射鏡材料為金屬，允許變形鏡提供更大的校正動(dòng)態(tài)范圍和更高的工作帶寬；較大的口徑，允許成像光束不過(guò)度壓縮，保證波前傳感精度；反射鏡帶驅(qū)動(dòng)器帶支撐底盤(pán)的一體化加工工藝，能夠克服高彈易變金屬超薄反射鏡裸鏡高精度光學(xué)加工的困難，將單點(diǎn)金剛石車(chē)與古典光學(xué)拋光有機(jī)結(jié)合，能夠在較短的周期里完成變形鏡初始表面的光學(xué)加工，能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)于1/10波長(zhǎng)的初始面形精度水平。本發(fā)明提出的較大口徑、大徑厚比球面金屬變形鏡及其一體化加工工藝是對(duì)目前平面玻璃變形鏡的有益補(bǔ)充。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1是本發(fā)明所提供的球面金屬變形鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]如上所述，常規(guī)玻璃基底壓電驅(qū)動(dòng)變形鏡具有口徑小、初始表面為平面、極限許用應(yīng)力小以及工作帶寬低等幾個(gè)特點(diǎn)，本發(fā)明提出的較大口徑(大于100mm)、大徑厚比(大于30)、初始表面為球面的、采用金屬材料作為反射鏡支撐底盤(pán)的變形鏡是對(duì)目前變形鏡技術(shù)的有益補(bǔ)充；此外針對(duì)該類(lèi)變形鏡提出的反射鏡帶驅(qū)動(dòng)器帶支撐