球面金屬變形鏡的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于光學(xué)領(lǐng)域，涉及一種球面金屬變形鏡，尤其涉及一種大口徑/大徑厚比球面金屬變形鏡。
【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:美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)、美國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0K0公司、法國ALPA0公司、Imaging Optik公司、美國BMC公司、Iris A0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)動方式來分，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。而按照反射鏡鏡面的形式來分，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)動器響應(yīng)速度快，位移分辨率高，可以提供的驅(qū)動力大，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)動變形鏡。
[0004]連續(xù)鏡面式壓電驅(qū)動變形鏡具有靈敏度高、動態(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)動器的形變可以增大很多，同時(shí)驅(qū)動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)動器陣列和支撐底盤三個(gè)部分組成。其基本工作原理是:驅(qū)動器陣列固定在支撐底盤上，通過改變加載于壓電陶瓷上的電壓值來使鏡面產(chǎn)生不同的形變，達(dá)到動態(tài)改變反射鏡面形并據(jù)此補(bǔ)償波前畸變的目的。對于壓電驅(qū)動連續(xù)經(jīng)面式變形鏡來說，反射鏡的鏡面邊緣是自由的，所以驅(qū)動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，市場上可以獲得的科學(xué)級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，對系統(tǒng)的總體光焦度沒有貢獻(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，對光束進(jìn)行過度壓縮將對波前的測量和補(bǔ)償精度帶來影響。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惒牧弦子讷@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可以獲得較大的校正動態(tài)范圍?！緦?shí)用新型內(nèi)容】
[0006]針對【背景技術(shù)】中描述的現(xiàn)有變形鏡技術(shù)的局限性，本實(shí)用新型提供了一種可提供更大校正動態(tài)范圍以及更高工作帶寬的球面金屬變形鏡。
[0007]本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是:
[0008]本實(shí)用新型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)動器陣列以及支撐底盤；所述反射鏡與驅(qū)動器陣列之間通過過渡接頭并以膠接方式連接，所述支撐底盤與驅(qū)動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)動器陣列包括多個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動器；所述多個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動器以正六邊形的方式排布。
[0011]上述驅(qū)動器陣列由61個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動器組成。
[0012]上述支撐底盤所采用材料的剛度遠(yuǎn)大于反射鏡所采用材料的剛度。
[0013]本實(shí)用新型的有益效果是:
[0014]本實(shí)用新型提供了一種球面金屬變形鏡，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、驅(qū)動器陣列以及反射鏡三個(gè)部件，反射鏡通過驅(qū)動器設(shè)置在支撐底盤上；不同之處在于反射鏡的口徑大于100mm ;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)本實(shí)用新型對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，允許成像光束不過度壓縮，保證波前傳感精度；反射鏡帶驅(qū)動器帶支撐底盤的一體化加工工藝，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波長的初始面形精度水平。本實(shí)用新型提出的較大口徑、大徑厚比球面金屬變形鏡是對目前平面玻璃變形鏡的有益補(bǔ)充。
【附圖說明】
[0015]圖1是本實(shí)用新型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】
[0016]如上所述，常規(guī)玻璃基底壓電驅(qū)動變形鏡具有口徑小、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)，本實(shí)用新型提出的較大口徑(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的變形鏡是對目前變形鏡技術(shù)的有益補(bǔ)充；此外針對該類變形鏡提出的反射鏡帶驅(qū)動器帶支撐底盤的一體化加工方案能夠消除高彈易變形金屬反射鏡裸鏡高精度面形加工的困難，使其在較短的周期內(nèi)達(dá)到初始面形精度優(yōu)于1/10波長的水平。
[0017]本實(shí)用新型提出的球面金屬變形鏡屬于連續(xù)鏡面式壓電驅(qū)動變形鏡，由球面金屬反射鏡，高密度壓電陶瓷驅(qū)動器陣列以及支撐底盤三部分構(gòu)成。其區(qū)別于傳統(tǒng)變形鏡的特點(diǎn)主要包括:1)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；2)反射鏡材料為金屬，允許變形鏡提供更大的校正動態(tài)范圍和更高的工作帶寬；3)較大的口徑，允許成像光束不過度壓縮，保證波前傳感精度。在圖1中，給出了本實(shí)用新型所提出的球面金屬變形鏡的一個(gè)典型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例，其中反射鏡口徑150_，厚度3_，徑厚比達(dá)到了 50，驅(qū)動器陣列共包含有61個(gè)驅(qū)動器單元且呈六邊形分布。若以反射鏡自身的面形精度校正能力為標(biāo)準(zhǔn)來對該變形鏡的面形精度的調(diào)整能力進(jìn)行評價(jià)，那么研究表明，當(dāng)反射鏡的初始面形精度較高時(shí)，通過驅(qū)動器陣列的調(diào)整可以獲得優(yōu)于1/50波長的面形精度；當(dāng)反射鏡的初始面形精度較低時(shí)，通過驅(qū)動器陣列的調(diào)整也可以獲得優(yōu)于1/30波長的面形精度。這就意味著，要獲得良好的像差校正效果，變形鏡的初始面形精度要達(dá)到比較高的水平。經(jīng)過分析，在考慮了裝配、夾持以及其他因素的影響下，完成加工后的反射鏡的初始面形精度至少應(yīng)該優(yōu)于1/10波長的水平才能夠滿足后期對其自身或系統(tǒng)波前畸變像差的高精度校正需求。
[0018]變形鏡通常都是大徑厚比的超薄反射鏡，裸反射鏡直接加工到所需的初始面形精度要求難度很大，對于彈性好易變形的金屬超薄反射鏡來說難度就更大，而且隨著反射鏡口徑的增加高精度面形精工的難度也隨之急劇增加。因此，本實(shí)用新型的一體化加工方式是:
[0019]1)反射鏡首先進(jìn)行粗加工成型加工，使其曲率半徑達(dá)到要求；
[0020]2)在輔助定心工裝的配合下，將反射鏡與驅(qū)動器以及支撐底盤進(jìn)行可靠粘接和連接，形成完成的變形鏡器件，并在此基礎(chǔ)上對反射鏡的表面再次進(jìn)行粗加工；
[0021]3)對完成粗加工的變形鏡器件進(jìn)行單點(diǎn)金剛石車削加工，使其面形精度達(dá)到優(yōu)于1個(gè)波長的水平；
[0022]4)對單點(diǎn)車削加工后的變形鏡利用古典光學(xué)拋光法進(jìn)行工作表面的精修，直至達(dá)到所需要的優(yōu)于1/10波長面形精度的要求。
[0023]以圖1所示的口徑150mm，厚度3mm的超薄鈹青銅反射鏡樣片的研制過程為例進(jìn)行說明:
[0024]a)驅(qū)動器陣列與驅(qū)動器底盤穩(wěn)定連接之后，又與限位結(jié)構(gòu)按位置公差連接，除了起到精確定位每一個(gè)驅(qū)動器的空間位置的作用之外，還起到了增強(qiáng)驅(qū)動器陣列整體剛性的作用，使其在加工的過程中不易損壞；
[0025]b?c)給驅(qū)動器的頭部連接過度接頭結(jié)構(gòu)，用于與反射鏡的背部進(jìn)行粘接。由于需要對驅(qū)動器頭部的過度接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行研磨加工，所以在結(jié)構(gòu)連接處的間隙都引入了蠟封，與此同時(shí)還將整個(gè)變形鏡器件進(jìn)行了封裝，從而避免研磨加工過程中研磨液對驅(qū)動器及其線纜的污損；
[0026]d)由于反射鏡是帶有曲率的球面，所以在將驅(qū)動器頭部的過度接頭與反射鏡背部粘接之前，對驅(qū)動器頭部的過度接頭進(jìn)行研磨加工，使其能夠貼合反射鏡背部曲率的變化情況，從而便于控制粘接膠層的厚度；
[0027]e)在完成了對驅(qū)動器頭部過度接頭結(jié)構(gòu)的研磨加工以后，利用環(huán)氧樹脂將反射鏡與驅(qū)動器陣列進(jìn)行粘接，并固化48小時(shí)以上使其形成穩(wěn)定的整體；
[0028]f)為了抵抗加工過程中橫向剪切力與軸向力對驅(qū)動器陣列的沖擊，給變形鏡整體外接擴(kuò)展套圈結(jié)構(gòu)，以分散加工過程中變形鏡結(jié)構(gòu)的受力。
[0029]在完成了 a)?f)的步驟以后，就采用古典拋光法與單點(diǎn)金剛石車削加工法對變形鏡的工作表面進(jìn)行高精度光學(xué)加工，其結(jié)果可以達(dá)到優(yōu)于1/10波長的水平。
[0030]本實(shí)用新型提出的球面金屬變形鏡適用于包含鍍鎳不銹鋼、鈹青銅、鋁等多種常見的金屬材料，具有廣泛的應(yīng)用前景。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種球面金屬變形鏡，其特征在于:所述球面金屬變形鏡包括反射鏡、驅(qū)動器陣列以及支撐底盤；所述反射鏡與驅(qū)動器陣列之間通過過渡接頭并以膠接方式連接，所述支撐底盤與驅(qū)動器陣列之間以螺接方式連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球面金屬變形鏡，其特征在于:所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100_，所述反射鏡的徑厚比不小于30。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的球面金屬變形鏡，其特征在于:所述驅(qū)動器陣列包括多個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動器；所述多個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動器以正六邊形的方式排布。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的球面金屬變形鏡，其特征在于:所述驅(qū)動器陣列由61個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動器組成。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的球面金屬變形鏡，其特征在于:所述支撐底盤所采用材料的剛度遠(yuǎn)大于反射鏡所采用材料的剛度。
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種球面金屬變形鏡，其中，該球面金屬變形鏡包括反射鏡、驅(qū)動器陣列以及支撐底盤；反射鏡與驅(qū)動器陣列之間通過過渡接頭并以膠接方式連接，支撐底盤與驅(qū)動器陣列之間以螺接方式連接。本實(shí)用新型提供了一種可提供更大校正動態(tài)范圍以及更高工作帶寬的球面金屬變形鏡。
【IPC分類】G02B26/06
【公開號】CN205067863
【申請?zhí)枴緾N201520747914
【發(fā)明人】趙惠, 宮杰, 蔡中林, 解曉鵬, 樊學(xué)武
【申請人】中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所, 成都華明光學(xué)有限責(zé)任公司
【公開日】2016年3月2日
【申請日】2015年9月24日