一種變曲率反射鏡裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種變曲率反射鏡裝置，包括反射鏡組件和氣動驅(qū)動組件；反射鏡組件包括反射鏡本體和支撐底盤；反射鏡本體和支撐底盤之間設(shè)置有氣腔；支撐底盤上設(shè)置有壓縮空氣進氣孔、排氣孔和壓力傳感器采樣孔；氣動驅(qū)動組件包括空氣壓縮機、壓力傳感器、比例閥、開關(guān)閥和工控機；空氣壓縮機用于為反射鏡組件的氣腔提供壓縮空氣；壓力傳感器用于監(jiān)測氣腔內(nèi)的空氣壓力；工控機用于控制氣腔內(nèi)的驅(qū)動氣壓；開關(guān)閥用于控制壓縮空氣進氣孔的開啟或關(guān)閉；比例閥用于控制壓縮空氣的進氣量。本發(fā)明實現(xiàn)曲率變化的同時也能夠獲得高精度的面形保持效果，使變曲率反射鏡技術(shù)可以應(yīng)用到對面形精度保持要求更高的可見光波段變焦成像。
【專利說明】
一種變曲率反射鏡裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種變曲率反射鏡裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]作為一種主動光學(xué)元件，變曲率反射鏡的雛形最早可以追溯到1973年耶路撒冷希伯來大學(xué)研制的樣片。自此以后，前蘇聯(lián)，德國，美國、法國以及中國等各個國家的科研人員均圍繞變曲率反射鏡技術(shù)開展了大量的研究和原型裝置的研制工作。
[0003]自概念及最初的原型器件提出以來，變曲率反射鏡主要應(yīng)用于提升高能固體激光器的輸出光束品質(zhì)。高能固體激光器工作時的高功率會在諧振腔內(nèi)產(chǎn)生極高的溫度，從而使諧振腔窗口玻璃發(fā)生熱變形而引入球差及離焦，進而惡化輸出光束的品質(zhì)。變曲率反射鏡能夠通過改變自身的曲率半徑對熱透鏡效應(yīng)引起的球差及離焦進行有效補償，從而達到提升激光器光束品質(zhì)的目的。近些年的研究表明，變曲率反射鏡還能夠用于實現(xiàn)一種新型的變焦成像技術(shù)一一無運動部件變焦。傳統(tǒng)變焦技術(shù)，無論是機械補償式還是光學(xué)補償式都依賴鏡片或鏡組之間的相對運動，在一定程度上限制了其在對空間、功耗以及穩(wěn)定性等方面要求苛刻的領(lǐng)域中的應(yīng)用。變曲率反射鏡曲率半徑的變化對應(yīng)于光焦度的改變，而局部元件光焦度的微小變化則可以通過光學(xué)杠桿效應(yīng)光學(xué)設(shè)計被放大為系統(tǒng)焦距的大幅度改變，從而在不依賴宏觀運動部件的前提下實現(xiàn)變焦成像。
[0004]無論應(yīng)用于哪里，大的中心形變與形變中的面形精度保持是對變曲率反射鏡提出的兩點基本要求。對于高能固體激光器而言，由于其工作波長較長，所以對形變后的面形精度的要求相對較低。然而，對于無運動部件變焦成像尤其是可見光波段的應(yīng)用來說，對反射鏡形變之后的面形精度的要求大大提高，而反射鏡的結(jié)構(gòu)及驅(qū)動方式共同決定了中心形變大小及形變后的面形精度保持情況。
[0005]根據(jù)薄板彈性理論，等厚的反射鏡要實現(xiàn)曲率半徑的變化，最簡單的方式就是單點直接作用于反射鏡中心有限大小的區(qū)域上(該區(qū)域等效半徑遠小于反射鏡半徑)。然而這種驅(qū)動方式在全反射鏡口徑范圍之內(nèi)既不能產(chǎn)生球面變形，也無法產(chǎn)生拋物面變形，且驅(qū)動力越大，與曲率變化所要求的理想面形改變相差就越遠，因此實際中很少使用。實際上，同樣根據(jù)薄板彈性理論，利用推力環(huán)支撐環(huán)兩環(huán)結(jié)構(gòu)對在反射鏡邊緣施加純粹扭矩的曲率變化模型進行等效，將極大地消除點驅(qū)動曲率變化模型存在的弊端。盡管推力環(huán)之外的區(qū)域由于剪切應(yīng)力的影響會疊加其他的面形模式從而偏離標(biāo)準(zhǔn)球面或拋物面，但是推力環(huán)之內(nèi)的區(qū)域可以實現(xiàn)純粹的曲率變化。
[0006]美國Sandia國家實驗室作為當(dāng)今該領(lǐng)域研究的領(lǐng)跑者，正是利用這種環(huán)形線負載驅(qū)動機理實現(xiàn)反射鏡的曲率變化。包括本發(fā)明
【申請人】所在的課題組在內(nèi)，中國的多個科研機構(gòu)都仿效類似的機理進行了原型裝置的研制，但是研究表明:等厚反射鏡在環(huán)形線負載的驅(qū)動下能實現(xiàn)曲率的變化，但是卻不易實現(xiàn)大形變時的面形精度保持，而且這種情況在反射鏡的口徑及徑厚比較大的情況下越發(fā)凸顯。究其原因有以下幾點:
[0007](I)環(huán)形線負載驅(qū)動依然屬于直接接觸式力驅(qū)動，必然在反射鏡的表面引起應(yīng)力累積，而且不同區(qū)域產(chǎn)生的壓應(yīng)力分布是不均勻的。根據(jù)研究，應(yīng)力較為集中的區(qū)域位于推力環(huán)覆蓋的能產(chǎn)生純粹曲率變化的鏡面有效區(qū)域，此時由于反射鏡的厚度分布恒定不變而無法對非均勻的應(yīng)力分布做出差異響應(yīng)，因而在形變較大的時候會導(dǎo)致面形精度的迅速退化。當(dāng)反射鏡的口徑及徑厚比較大時或者驅(qū)動力增加以獲得更大的中心形變時，反射鏡表面應(yīng)力的累積將對面形精度的保持形成嚴(yán)重的阻礙。
[0008](2)環(huán)形線負載曲率變化模型要求反射鏡的邊緣處于簡支狀態(tài)，而最簡單的實現(xiàn)簡支的方法就是令反射鏡與支撐結(jié)構(gòu)之間相互獨立，從而允許反射鏡沿徑向自由伸縮。然而，這種方式要求反射鏡、驅(qū)動單元與鏡筒的中心軸高度共線，否則當(dāng)反射鏡曲率變化時，反射鏡與鏡筒之間就會產(chǎn)生間隙，三軸之間的不共線會使反射鏡沿與中心軸垂直的平面?zhèn)认蚧瑒?，從而引入非對稱的驅(qū)動，進而破壞反射鏡的面形精度。此外，如果發(fā)生側(cè)向滑動，就意味著反射鏡在一些位置處還會受到來自鏡筒結(jié)構(gòu)的擠壓，會更加惡化反射鏡的面形精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為了解決現(xiàn)有的環(huán)形線負載驅(qū)動實現(xiàn)反射鏡曲率變化模型存在的反射鏡面形保持精度差的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種氣動驅(qū)動厚度漸變的變曲率反射鏡裝置。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種變曲率反射鏡裝置，其特殊之處在于:包括反射鏡組件和氣動驅(qū)動組件；
[0011]所述反射鏡組件包括反射鏡本體和支撐底盤;所述反射鏡本體和支撐底盤之間設(shè)置有氣腔;所述支撐底盤上設(shè)置有壓縮空氣進氣孔、排氣孔和壓力傳感器采樣孔；
[0012]所述氣動驅(qū)動組件包括空氣壓縮機、壓力傳感器，比例閥、開關(guān)閥和工控機；空氣壓縮機用于為反射鏡組件的氣腔提供壓縮空氣;壓力傳感器用于監(jiān)測氣腔內(nèi)的空氣壓力；工控機用于控制氣腔內(nèi)的驅(qū)動氣壓;開關(guān)閥用于控制壓縮空氣進氣孔的開啟或關(guān)閉；比例閥用于控制壓縮空氣的進氣量。
[0013 ]上述反射鏡本體包括中心厚邊緣薄的漸變厚度反射鏡。
[0014]上述漸變厚度反射鏡的厚度分布方程為y= t0.[1-k.(2r/D)m]n;其中，to是反射鏡的中心厚度，r是反射鏡球面的極坐標(biāo)半徑，D是反射鏡的口徑，k、m與η是用于控制反射鏡厚度分布形式的常數(shù)。
[0015]上述反射鏡本體還包括環(huán)形支撐壁和環(huán)形中空基座;所述環(huán)形支撐壁是位于漸變厚度反射鏡和環(huán)形中空基座之間的薄壁圓筒形結(jié)構(gòu);所述環(huán)形中空基座底部與所述支撐底盤粘接。
[0016]上述氣動驅(qū)動組件還包括位于空氣壓縮機和反射鏡組件之間的空氣凈化器。
[0017]上述氣動驅(qū)動組件的壓強控制精度為0.0OlMPa0
[0018]上述反射鏡本體由金屬材料通過一體化成型加工獲得。
[0019]上述反射鏡本體的工作表面為光學(xué)鏡面，反射鏡本體的其余外露面研磨至亞微米精度;所述氣腔的內(nèi)表面達到細磨準(zhǔn)拋光水平。
[0020]本發(fā)明的有益效果在于:
[0021](I)本發(fā)明是針對環(huán)形線負載驅(qū)動實現(xiàn)反射鏡曲率變化模型存在的問題而提出的改進措施，實現(xiàn)曲率變化的同時也能夠獲得高精度的面形保持效果，使變曲率反射鏡技術(shù)不但可以更好地應(yīng)用于高能固體激光器因熱透鏡效應(yīng)而引起的離焦及球差的補償，而且可以應(yīng)用到對面形精度保持要求更高的可見光波段變焦成像。
[0022](2)本發(fā)明中的反射鏡的邊緣非常薄，所以良好的彈性滿足形變時所需的近似無約束狀態(tài)。當(dāng)反射鏡厚度從常規(guī)的等厚分布變?yōu)橛芍行南蜻吘壷饾u減小并且按照特定函數(shù)分布的形式以后，此時均勻氣壓驅(qū)動所帶來的集中壓應(yīng)力區(qū)域從鏡面有效區(qū)域轉(zhuǎn)移到了反射鏡本體中的超薄環(huán)形金屬支撐壁，從而降低了反射鏡工作表面面形精度退化與中心形變的相關(guān)性。因此，本發(fā)明通過解決環(huán)形線負載驅(qū)動曲率變化模型存在問題的基礎(chǔ)上，真正實現(xiàn)了兼顧大的中心形變與高精度的面形保持的目的，具有應(yīng)用于可見光波段實現(xiàn)無運動部件變焦成像的可能。
[0023](3)本發(fā)明所使用的反射鏡組件中，構(gòu)成反射鏡本體的三個部分是通過鏡坯的一體化成型加工而形成的一個整體，所以曲率變化時反射鏡能夠保持其空間位置的穩(wěn)定，從而消除了側(cè)向滑動的可能。
[0024](4)本發(fā)明所提供的氣動驅(qū)動結(jié)合漸變厚度反射鏡設(shè)計的曲率變化模型在接近全口徑的范圍內(nèi)都能夠?qū)崿F(xiàn)純粹的曲率變化。
【附圖說明】
[0025]圖1為環(huán)形線接觸負載驅(qū)動曲率變化機理示意圖；
[0026]圖2為本發(fā)明給出的變曲率反射鏡裝置的結(jié)構(gòu)框架示意圖；
[0027]圖3為本發(fā)明給出的的反射鏡組件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖4為特定參數(shù)下的反射鏡厚度分布曲線；
[0029]圖5為本發(fā)明給出的的反射鏡組件應(yīng)力分布情況示意圖；
[0030]圖6為等厚反射鏡經(jīng)環(huán)形線負載驅(qū)動時對應(yīng)的應(yīng)力分布情況示意圖。
【具體實施方式】
[0031 ]美國論文uAppl.Phys.B 82,275-281 (2006)”、中國專利CN201010108376.6和中國論文“光學(xué)精密工程，18(8): 1781-1787,2010”中所公開的變曲率反射鏡裝置均是采用如圖1所示的基于環(huán)形線負載驅(qū)動機理的包括有推力環(huán)I和支撐環(huán)2構(gòu)成的兩環(huán)結(jié)構(gòu)驅(qū)動模型。本發(fā)明是通過采用氣動均勻壓力驅(qū)動替代環(huán)形線負載驅(qū)動，反射鏡在全口徑范圍以內(nèi)不但可以實現(xiàn)大尺度的純粹的曲率變化，而且能夠始終保持面形精度處于較高的水平。
[0032]參見圖2，本發(fā)明給出的變曲率反射鏡裝置是由反射鏡組件3以及氣動驅(qū)動組件4兩個部分組成的。其中，氣動驅(qū)動組件4包括空氣壓縮機41、壓力傳感器42、比例閥43、開關(guān)閥44以及工控機45五個部分?？諝鈮嚎s機41用來產(chǎn)生驅(qū)動反射鏡形變的壓縮空氣;開關(guān)閥44的作用是控制壓縮空氣是否被允許進入反射鏡組件的氣腔;比例閥43用來實現(xiàn)高精度的壓縮空氣進氣量控制；壓力傳感器42實時監(jiān)測反射鏡組件氣腔的空氣壓力；工控機45接收開關(guān)閥44和比例閥43的信號，用以設(shè)定所需驅(qū)動氣壓。通過壓力傳感器42，氣動驅(qū)動組件形成一個閉環(huán)反饋，使反射鏡組件氣腔的氣壓穩(wěn)定于設(shè)定值。另外，空氣壓縮機41和反射鏡組件3之間還可以設(shè)置空氣凈化器46。
[0033]參見圖3，本發(fā)明較佳實施例的反射鏡組件3是由帶有支撐結(jié)構(gòu)的反射鏡本體與經(jīng)過減重處理的支撐裝置組成，兩個部分采用相同的金屬材料，通過粘接工藝形成一個帶有氣腔的整體。將反射鏡組件3平放，那么反射鏡本體從上到下就可以劃分為三個區(qū)域，即超薄反射鏡31，薄壁金屬支撐環(huán)32以及環(huán)形中空基座33。這三個區(qū)域通過鏡坯的一體化成型加工形成一個整體。其中，金屬支撐環(huán)32的一端與反射鏡31邊緣相連，另外一端與環(huán)形中空基座33相連，而環(huán)形中空基座33與支撐底盤34粘接;金屬支撐環(huán)32的內(nèi)徑與環(huán)形中空基座33內(nèi)徑相同，而外徑則與反射鏡31 口徑相同；環(huán)形中空基座33的壁厚遠大于金屬支撐環(huán)32的壁厚，所以剛性最強。支撐底盤34的外徑與環(huán)形中空基座33的外徑相同，并且在四周呈90°分布有三個直徑6mm的功能孔洞，分別為壓縮空氣進氣孔、保障安全的排氣孔以及壓力傳感器所需的采樣孔。反射鏡組件所有的部件均采用同樣的金屬材料，除了反射鏡工作表面達到光學(xué)鏡面要求之外，其余外露表面通過研磨達到亞微米精度，而氣腔的內(nèi)表面則需要達到接近細磨準(zhǔn)拋光水平以保證氣動的均勻性。
[0034]本發(fā)明所提出的變曲率反射鏡裝置與常見的環(huán)形線負載驅(qū)動變曲率反射鏡裝置相比最大的差別在于兩點:
[0035]第一，將反射鏡的厚度分布從等厚恒定分布變?yōu)橛芍行南蜻吘壷饾u減小的分布，對應(yīng)于反射鏡將具有可變的剛性，意味著反射鏡中心區(qū)域與邊緣區(qū)域相比具有更高的抗壓形變能力，有利于保持面形精度。圖4給出了幾組典型參數(shù)下反射鏡厚度分布曲線的對比情況，其中中心厚度為8mm，反射鏡的口徑為135mm，曲線a對應(yīng)的(k、m、n)為(0.8、2、0.33)，曲線 b 對應(yīng)的(k、m、n)為(0.85、2.2、0.35)，曲線(3對應(yīng)的(1^、111、11)為(0.78、1.8、0.3)。顯而易見，無論選擇怎樣的參數(shù)，反射鏡的厚度變化都遵循這樣一個規(guī)律，即由中心向邊緣厚度的減小速率逐漸增加。盡管理論上可以將反射鏡的邊緣厚度設(shè)定為零使其滿足理想的簡支條件，但是由于不具有物理上的可實現(xiàn)性，所以實際應(yīng)用時的反射鏡邊緣依然具有能夠通過現(xiàn)有工藝獲得的非常小的厚度值。此外，通過整體建模分析及優(yōu)化設(shè)計，可以人為地改變反射鏡中心區(qū)域及邊緣區(qū)域的厚度變化速率，從而實現(xiàn)抗壓能力的控制。
[0036]第二，氣動驅(qū)動與環(huán)形線負載驅(qū)動相比，壓力均勻的施加于整個反射鏡的背部，對反射鏡的沖擊比較小，并使得鏡面有效區(qū)域產(chǎn)生的壓應(yīng)力較低，所以也利于面形精度的保持。圖5和圖6給出了氣動驅(qū)動變厚反射鏡結(jié)構(gòu)與環(huán)形線負載驅(qū)動等厚反射鏡結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力情況的有限元分析。可以看到，盡管兩者都能夠?qū)崿F(xiàn)曲率的變化，氣動驅(qū)動結(jié)合變厚的反射鏡設(shè)計將高應(yīng)力集中區(qū)域轉(zhuǎn)移到了超薄金屬支撐壁上，而環(huán)形線負載驅(qū)動模型中的高應(yīng)力分布區(qū)域恰好處于鏡面的有效工作區(qū)域，由此表明，氣動驅(qū)動結(jié)合變厚的反射鏡設(shè)計具有兼顧大的中心形變和高精度面形保持的潛力，具有應(yīng)用于可見光波段實現(xiàn)無運動部件變焦成像的可能。
【主權(quán)項】
1.一種變曲率反射鏡裝置，其特征在于:包括反射鏡組件和氣動驅(qū)動組件； 所述反射鏡組件包括反射鏡本體和支撐底盤;所述反射鏡本體和支撐底盤之間設(shè)置有氣腔;所述支撐底盤上設(shè)置有壓縮空氣進氣孔、排氣孔和壓力傳感器采樣孔； 所述氣動驅(qū)動組件包括空氣壓縮機、壓力傳感器、比例閥、開關(guān)閥和工控機;空氣壓縮機用于為反射鏡組件的氣腔提供壓縮空氣;壓力傳感器用于監(jiān)測氣腔內(nèi)的空氣壓力；工控機用于控制氣腔內(nèi)的驅(qū)動氣壓;開關(guān)閥用于控制壓縮空氣進氣孔的開啟或關(guān)閉；比例閥用于控制壓縮空氣的進氣量。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變曲率反射鏡裝置，其特征在于:所述反射鏡本體包括中心厚邊緣薄的漸變厚度反射鏡。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變曲率反射鏡裝置，其特征在于:所述漸變厚度反射鏡的厚度分布方程為y = tQ.[1-k.(2r/D)m]n;其中，to是反射鏡的中心厚度，r是反射鏡球面的極坐標(biāo)半徑，D是反射鏡的口徑，k、m與η是用于控制反射鏡厚度分布形式的常數(shù)。4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的變曲率反射鏡裝置，其特征在于:所述反射鏡本體還包括環(huán)形支撐壁和環(huán)形中空基座;所述環(huán)形支撐壁是位于漸變厚度反射鏡和環(huán)形中空基座之間的薄壁圓筒形結(jié)構(gòu);所述環(huán)形中空基座底部與所述支撐底盤粘接。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變曲率反射鏡裝置，其特征在于:所述氣動驅(qū)動組件還包括位于空氣壓縮機和反射鏡組件之間的空氣凈化器。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的變曲率反射鏡裝置，其特征在于:所述氣動驅(qū)動組件的壓強控制精度為0.0OlMPa。7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的變曲率反射鏡裝置，其特征在于:所述反射鏡本體由金屬材料通過一體化成型加工獲得。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的變曲率反射鏡裝置，其特征在于:所述反射鏡本體的工作表面為光學(xué)鏡面，反射鏡本體的其余外露面研磨至亞微米精度;所述氣腔的內(nèi)表面達到細磨準(zhǔn)拋光水平。
【文檔編號】G02B7/185GK106094161SQ201610601091
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月27日 公開號201610601091.3, CN 106094161 A, CN 106094161A, CN 201610601091, CN-A-106094161, CN106094161 A, CN106094161A, CN201610601091, CN201610601091.3
【發(fā)明人】趙惠, 許亮, 解曉蓬, 樊學(xué)武
【申請人】中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所