本發(fā)明屬于光學領域，涉及一種變曲率反射鏡裝置。

背景技術：

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(lián)，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(xiàn)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(fā)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(tǒng)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(wěn)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(xiàn)為實現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)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(qū)域上(該區(qū)域等效半徑遠小于反射鏡半徑)。根據(jù)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(huán)與支撐環(huán)兩環(huán)結構，通過環(huán)形線接觸負載驅動實現(xiàn)曲率的變化。如圖1所示，推力環(huán)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(qū)域，通過實體表面端和驅動環(huán)環(huán)壁對驅動力的傳導來實現(xiàn)反射鏡曲率的變化。根據(jù)薄板彈性理論，由于環(huán)形線負載驅動在推力環(huán)覆蓋的區(qū)域之內能夠實現(xiàn)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(huán)形線負載驅動實現(xiàn)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(xiàn)有的環(huán)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(huán)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(huán)形線負載驅動模型中，驅動環(huán)的半徑不是任意選取的。研究表明，過小的驅動環(huán)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(huán)半徑則要求驅動環(huán)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(huán)的半徑應該得到優(yōu)化。

3)環(huán)形線負載模型要求反射鏡的邊緣處于簡支狀態(tài)(只限制位移，不限制轉動)，而最簡單的實現(xiàn)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?zhèn)认蚧瑒?，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(fā)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(wěn)定性問題。

美國(Appl.Phys.B 82,275–281(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(huán)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(huán)形線負載驅動曲率變化結構(尤其是驅動環(huán)的半徑)進行優(yōu)化。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)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，本發(fā)明提供一種新型變曲率反射鏡裝置，不但能夠實現(xiàn)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。

本發(fā)明的技術解決方案是：一種變曲率反射鏡裝置，包括反射鏡、推力環(huán)、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(huán)、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(huán)形支撐壁和環(huán)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(huán)形支撐壁是位于反射鏡本體和環(huán)形中空基座之間的圓筒形結構，環(huán)形支撐壁的外徑與反射鏡本體直徑相同，環(huán)形支撐壁的內徑與環(huán)形中空基座的內徑相同；所述環(huán)形中空基座與鏡筒一端固定連接；所述推力環(huán)的一端為環(huán)形中空結構且與反射鏡的背部接觸，推力環(huán)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(shù)。

上述推力環(huán)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(xiàn)推力環(huán)與反射鏡的預緊。

上述反射鏡與推力環(huán)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。

本發(fā)明的有益效果在于：

(1)本發(fā)明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(huán)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)本發(fā)明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(huán)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(wěn)定，從而消除了傳統(tǒng)環(huán)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(xiàn)象。此外，當反射鏡形變時，較為集中的壓應力從原先推力環(huán)覆蓋的區(qū)域轉移到了與漸變厚度反射鏡邊緣連接的環(huán)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(huán)形線接觸負載驅動曲率變化機理的實現(xiàn)形式示意。

圖2為本發(fā)明較佳實施例的變曲率反射鏡裝置結構示意圖。

圖3為本發(fā)明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，本發(fā)明較佳實施例的變曲率反射鏡裝置由反射鏡組件1、推力環(huán)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(huán)2、驅動器3以及連接驅動器的支撐底盤4均與鏡筒5高精度同軸。反射鏡1與推力環(huán)2材質相同，而鏡筒5及支撐底盤4所采用材料的強度高于反射鏡材料的強度。

其中，反射鏡組件1與鏡筒5之間通過螺紋連接；如圖3所示，反射鏡組件1由漸變厚度超薄反射鏡11、環(huán)形超薄支撐壁12和環(huán)形中空基座13三部分組成，三者通過一體化成型加工構成一個完整的整體。推力環(huán)2的一端為環(huán)形中空結構且與反射鏡組件1的背部接觸，另外一端則為中心具有一個螺紋孔的實心底板用于同驅動器3的頭部連接。驅動器3的頭部與環(huán)狀推力環(huán)2的實心底板的中心通過螺紋連接，而其尾部同樣與支撐底盤4通過螺釘連接，與此同時驅動器3與支撐底盤4之間設置有可調的接觸間隙，用來實現(xiàn)推力環(huán)與反射鏡的預緊。鏡筒5的頭部與反射鏡組件1通過螺紋連接的一端具有一個類似墊圈的底板，而底板中央開有一個口徑與環(huán)狀推力環(huán)2外徑一致的圓孔，用于支撐并引導推力環(huán)2的頭部與反射鏡背部進行接觸預緊，以此實現(xiàn)驅動力的傳遞。

與常規(guī)等厚反射鏡的結構設計不同，在本發(fā)明較佳實施例的結構中，反射鏡的厚度不是恒定的，而是中心厚邊緣薄且由中心向邊緣逐漸減小，對應的厚度分布方程為：

y＝t₀·exp[-k·(2r/D)^m]；

其中，t₀是反射鏡的中心厚度，r是反射鏡球面的極坐標半徑，D是反射鏡的直徑，k與m是用于控制反射鏡厚度分布形式的常數(shù)。與此同時，反射鏡的邊緣不再與支撐結構獨立，而是通過環(huán)形超薄壁結構與鏡筒連接為一個有機的整體，且這個整體是通過一體化成型加工直接獲得的，沒有任何輔助的連接部件。這種結構設計上的改變直接帶來了以下兩個顯著的好處：

其一，研究表明，傳統(tǒng)的環(huán)形線負載驅動曲率變化結構會在反射鏡表面產生分布非常不均勻的壓應力，其中應力主要集中于推力環(huán)所覆蓋的區(qū)域，而等厚的反射鏡意味著反射鏡各個位置處的剛度恒定，所以自然導致推力環(huán)覆蓋區(qū)域的微觀形變要遠大于其他區(qū)域，從而使面形精度急速退化。漸變的厚度分布則允許反射鏡對環(huán)形推力所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。

其二，反射鏡的邊緣與環(huán)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(wěn)定，從而消除了傳統(tǒng)環(huán)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(xiàn)象。典型工況下，本發(fā)明提供的環(huán)形線負載驅動變曲率反射鏡結構形變時的壓應力分布情況顯示，在推力環(huán)直接作用的區(qū)域，壓應力明顯高于其他區(qū)域。但是應力最大的區(qū)域并不是與推力環(huán)直接接觸的區(qū)域，而是位于環(huán)形超薄壁結構上。由此可知，集中應力的轉移是反射鏡形變時面形精度依然保持較高水平的本質原因。

漸變厚度反射鏡結構設計以及反射鏡邊緣與環(huán)形超薄壁結構的一體化連接可以起到轉移集中應力的作用，推力環(huán)作用于反射鏡的區(qū)域依然具有顯著的應力，且壓應力的大小與驅動力的大小直接相關，因此在實現(xiàn)可比擬中心形變的前提下，適當降低所需驅動力對保持面形精度有著積極的意義，而根據(jù)薄板彈性理論，所需驅動力大小與推力環(huán)外徑之間存在非線性的關系。以產生特定的中心形變?yōu)榧s束條件，可以獲得不同反射鏡鏡面材料對應的所需驅動力與推力環(huán)外徑之間的數(shù)值關系。如圖4-6所示，三種不同的反射鏡材料分別為K9玻璃(E＝88GPa，v＝0.215)、單晶硅(E＝160GPa，ν＝0.23)以及AISI420不銹鋼(E＝215GPa，v＝0.305)，另外反射鏡的有效直徑及厚度分別是88mm和3mm。假定所需中心形變分別等于3um，5um，10um，15um以及20um。從圖4-6中的曲線對比可以看出，無論是哪種反射鏡材料，當推力環(huán)外徑超過1/2反射鏡有效直徑之后，形變所需要的驅動力都將急劇增加，而當推力外徑小于1/2反射鏡直徑時，達到相同中心形變所需的驅動力并沒有太大變化。當所期望的形變量增大時，這種臨界效應就變得更加顯著。對于單晶硅反射鏡來說，若以中心形變量20um為例，當推力環(huán)外徑從8.8mm增加到22mm時，總驅動力W的大小從70N增加到100N左右，僅僅改變了30N，而從22mm增加到35.2mm時，總驅動力W的大小從100N增加到了260N左右，改變了近160N。雖然推力環(huán)外徑越小，所需的驅動力就越小，但是由于過小的推力環(huán)外徑不利于產生理想的曲率變化，因此有理由認為：當推力環(huán)外徑取為反射鏡直徑1/2的數(shù)值時，就可以較小的驅動力實現(xiàn)較大的中心形變。通過對其他材料反射鏡，如不銹鋼反射鏡以及K9玻璃反射鏡進行類似的分析以后，本發(fā)明認為，推力環(huán)外徑最佳的取值應該為反射鏡直徑的一半。此時，不但能夠以較小的驅動力實現(xiàn)較大的中心形變，而這對于降低反射鏡表面應力的累積以及形變后的面形保持都是有益的。