變曲率反射鏡裝置制造方法及圖紙

本發明專利技術屬于光學領域，涉及一種變曲率反射鏡裝置，包括反射鏡、推力環、驅動器、鏡筒和支撐底盤。反射鏡、推力環、驅動器及支撐底盤均與鏡筒同軸設置；反射鏡包括反射鏡本體、環形支撐壁和環形中空基座，反射鏡采用同種材料通過一體化成型加工構成一個整體。本發明專利技術中的反射鏡采用漸變的厚度分布形式，即中心厚邊緣薄，且由中心向邊緣逐漸減小。此時，反射鏡能夠對環形推力產生的不均勻的壓應力進行差異化響應，使反射鏡工作表面的平均微觀變形較小，從而為形變后具有較高的面形精度提供保證。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于光學領域，涉及一種變曲率反射鏡裝置。
技術介紹
變曲率反射鏡屬于一種主動光學元件，其雛形最早可以追溯到1973年耶路撒冷希伯來大學的研究成果。此后，前蘇聯，德國，美國、法國等均圍繞變曲率反射鏡技術開展了大量的研究和原型裝置的研制工作，中國科研人員近些年來也加入到該領域的研究當中。變曲率反射鏡有兩個主流的應用領域。其一是提升高能激光器的輸出光束品質；其二是實現無運動部件光學變焦。高能激光器工作時的高功率會在諧振腔內產生極高的溫度，從而使諧振腔窗口玻璃發生熱變形而引入球差及離焦，進而惡化輸出光束的品質。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的目的。傳統變焦技術，無論是機械補償式還是光學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、功耗以及穩定性等方面要求苛刻的領域中的應用。變曲率反射鏡的出現為實現無運動部件變焦提供了技術上的可能性，簡言之，反射鏡曲率的變化對應于光焦度的改變，而局部元件光焦度的微小變化則可以通過光學杠桿效應光學設計被放大為系統焦距的大幅度改變。反射鏡曲率變化的機理根源在于薄板彈性理論。相關文獻表明，目前有以下兩種能夠實現曲率變化的方式。第一，單驅動點直接作用于反射鏡中心有限大小的區域上(該區域等效半徑遠小于反射鏡半徑)。根據薄板彈性理論，這種驅動方式在全反射鏡直徑范圍之內既不能產生球面變形，也無法產生拋物面變形，且驅動力越大，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。第二，利用推力環與支撐環兩環結構，通過環形線接觸負載驅動實現曲率的變化。如圖1所示，推力環的一端是實體表面，另外一端則是空心的，采用單點驅動直接作用于實體表面一端的中心區域，通過實體表面端和驅動環環壁對驅動力的傳導來實現反射鏡曲率的變化。根據薄板彈性理論，由于環形線負載驅動在推力環覆蓋的區域之內能夠實現完美的拋物面面形，所以與單點中心驅動相比實用性更強。如果說耶路撒冷希伯來大學代表了變曲率反射鏡研究的起點，那么美國則成為了當今該領域研究的領跑者。美國Sandia國家實驗室正是利用上述環形線負載驅動實現反射鏡曲率變化的。之后，中國的多個科研機構都仿效類似的機理進行了原型裝置的研制，但是存在共性的幾個問題，使得現有的環形線負載驅動設計難以同時兼顧較大的中心形變以及形變過程中的面形精度保持：1)環形線負載驅動依然屬于直接接觸式力驅動，必然在反射鏡的表面引起應力累積。當反射鏡的直徑及徑厚比較小時，這種應力累積不足以破壞面形精度；而當反射鏡的直徑及徑厚比較大時，反射鏡表面應力的累積將對面形精度的保持形成嚴重的阻礙。2)在環形線負載驅動模型中，驅動環的半徑不是任意選取的。研究表明，過小的驅動環半徑會使曲率變化模型逐漸向單點直接接觸式驅動模型轉變，不利于理想曲率變化所需面形的產生；而過大的驅動環半徑則要求驅動環產生更大的驅動力，更大的驅動力會加劇反射鏡表面應力的累積，不利于面形精度的保持。因此驅動環的半徑應該得到優化。3)環形線負載模型要求反射鏡的邊緣處于簡支狀態(只限制位移，不限制轉動)，而最簡單的實現簡支的方法就是令反射鏡與支撐結構之間相互獨立，從而允許反射鏡沿其與支撐結構的接觸位置自由伸縮。然而，這種方式要求反射鏡、驅動單元與鏡筒的中心軸高度共線，否則當反射鏡曲率變化時，反射鏡與鏡筒之間就會產生間隙，三軸之間的不共線會使反射鏡沿與中心軸垂直的平面側向滑動，從而引入非對稱的驅動，進而破壞反射鏡的面形精度。此外，如果發生側向滑動，就意味著反射鏡在一些位置處還會受到來自鏡筒結構的擠壓，會更加惡化反射鏡的面形精度。因此，在滿足簡支近似無約束條件的前提下，應該解決反射鏡形變過程中的空間位置穩定性問題。美國(Appl.Phys.B82,275–281(2006))，中國(CN201010108376.6)，中國(光學精密工程，18(8)：1781-1787，2010)等采用的都是如圖1所展示的單驅動點環形線負載曲率變化結構，無法解決前面所提及的幾個問題，同時也沒有對環形線負載驅動曲率變化結構(尤其是驅動環的半徑)進行優化。
技術實現思路
為了解決現有的變曲率反射鏡裝置無法兼顧較大的中心形變以及形變過程中的面形精度保持的技術問題，本專利技術提供一種新型變曲率反射鏡裝置，不但能夠實現較大的中心形變，而且能夠在形變的過程中始終保持較高的面形精度。本專利技術的技術解決方案是：一種變曲率反射鏡裝置，包括反射鏡、推力環、驅動器、鏡筒和支撐底盤，其特殊之處在于：所述反射鏡、推力環、驅動器及支撐底盤均與鏡筒同軸設置；所述反射鏡包括反射鏡本體、環形支撐壁和環形中空基座，反射鏡采用同種材料通過一體化成型加工構成一個整體；所述反射鏡本體為中間厚邊緣薄的漸變厚度反射鏡結構，所述環形支撐壁是位于反射鏡本體和環形中空基座之間的圓筒形結構，環形支撐壁的外徑與反射鏡本體直徑相同，環形支撐壁的內徑與環形中空基座的內徑相同；所述環形中空基座與鏡筒一端固定連接；所述推力環的一端為環形中空結構且與反射鏡的背部接觸，推力環的另一端與驅動器一端相連；驅動器的另一端與支撐底盤相連。上述反射鏡本體的厚度分布方程為：y＝t0·exp[-k·(2r/D)m]其中，t0是反射鏡本體的中心厚度，r是反射鏡本體球面的極坐標半徑，D是反射鏡本體的直徑，k與m是用于控制反射鏡本體厚度分布形式的常數。上述推力環的外徑是反射鏡本體直徑的1/2。上述驅動器與支撐底盤之間設置有可調的接觸間隙，用來實現推力環與反射鏡的預緊。上述反射鏡與推力環采用相同的材料制成；所述鏡筒以及支撐底盤的材料強度高于反射鏡的材料強度。本專利技術的有益效果在于：(1)本專利技術中的反射鏡采用漸變的厚度分布形式，即中心厚邊緣薄，且由中心向邊緣逐漸減小。此時，反射鏡能夠對環形推力產生的不均勻的壓應力進行差異化響應，使反射鏡工作表面的平均微觀變形較小，從而為形變后具有較高的面形精度提供保證。(2)本專利技術中的反射鏡與支撐結構不再通過相互獨立的方式滿足簡支條件，而是將漸變厚度反射鏡的邊緣與環形超薄壁結構通過一體化成型加工構成一個整體，極薄的邊緣既可以滿足簡支撐近似無約束的條件，也能夠使形變時反射鏡本體的空間位置穩定，從而消除了傳統環形線負載驅動所存在的由反射鏡側向滑動導致的非對稱擠壓現象。此外，當反射鏡形變時，較為集中的壓應力從原先推力環覆蓋的區域轉移到了與漸變厚度反射鏡邊緣連接的環形超薄壁上面，從而大大消除了集中應力對反射鏡面形精度的破壞，也為形變后的反射鏡保持較高的面形精度提供了保證。附圖說明圖1為經典環形線接觸負載驅動曲率變化機理的實現形式示意。圖2為本專利技術較佳實施例的變曲率反射鏡裝置結構示意圖。圖3為本專利技術較佳實施例反射鏡結構示意圖。圖4是單晶硅材質反射鏡的驅動力大小與驅動半徑對應關系圖。圖5是K9玻璃材質反射鏡的驅動力大小與驅動半徑對應關系圖。圖6是AISI420不銹鋼材質反射鏡的驅動力大小與驅動半徑對應關系圖。具體實施方式參見圖2，本專利技術較佳實施例的變曲率反射鏡裝置由反射鏡組件1、推力環2、驅動器3(可以采用壓電陶瓷驅動器)、連接驅動器的支撐底盤4以及鏡筒5構成。反射鏡1、推力環2、驅動器3以及連接驅動器的支撐底盤4均與本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種變曲率反射鏡裝置，包括反射鏡、推力環、驅動器、鏡筒和支撐底盤，其特征在于：所述反射鏡、推力環、驅動器及支撐底盤均與鏡筒同軸設置；所述反射鏡包括反射鏡本體、環形支撐壁和環形中空基座，反射鏡采用同種材料通過一體化成型加工構成一個整體；所述反射鏡本體為中間厚邊緣薄的漸變厚度反射鏡結構，所述環形支撐壁是位于反射鏡本體和環形中空基座之間的圓筒形結構，環形支撐壁的外徑與反射鏡本體直徑相同，環形支撐壁的內徑與環形中空基座的內徑相同；所述環形中空基座與鏡筒一端固定連接；所述推力環的一端為環形中空結構且與反射鏡的背部接觸，推力環的另一端與驅動器一端相連；驅動器的另一端與支撐底盤相連。

【技術特征摘要】
1.一種變曲率反射鏡裝置，包括反射鏡、推力環、驅動器、鏡筒和支撐底盤，其特征在于：所述反射鏡、推力環、驅動器及支撐底盤均與鏡筒同軸設置；所述反射鏡包括反射鏡本體、環形支撐壁和環形中空基座，反射鏡采用同種材料通過一體化成型加工構成一個整體；所述反射鏡本體為中間厚邊緣薄的漸變厚度反射鏡結構，所述環形支撐壁是位于反射鏡本體和環形中空基座之間的圓筒形結構，環形支撐壁的外徑與反射鏡本體直徑相同，環形支撐壁的內徑與環形中空基座的內徑相同；所述環形中空基座與鏡筒一端固定連接；所述推力環的一端為環形中空結構且與反射鏡的背部接觸，推力環的另一端與驅動器一端相連；驅動器的另一端與支撐底盤相連。2.根據權利要求1所述的變曲率反射鏡裝置，其特征在于：...

【專利技術屬性】
技術研發人員：趙惠，許亮，解曉蓬，樊學武，
申請(專利權)人：中國科學院西安光學精密機械研究所，
類型：發明
國別省市：陜西;61