專利名稱：基于壓電驅(qū)動器的變形次鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于壓電驅(qū)動器的變形次鏡，屬于自適應(yīng)光學(xué)波前校正器技術(shù)領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
變形鏡是自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的核心器件之一，其主要作用是生成系統(tǒng)所需的受控面 型，以校正畸變波前。圖1.為經(jīng)典的分立式連續(xù)表面變形鏡，這類變形鏡由平面反射鏡面 1、驅(qū)動器2及剛性底座3粘接而成，具有結(jié)構(gòu)緊湊、剛度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)勢。但是這類變 形鏡采用平面反射鏡作為鏡面，在望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中應(yīng)用時需要大量輔助光學(xué)器件，以滿足變 形鏡使用條件。輔助光學(xué)器件的存在使得望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，光能利用率降低。將望遠(yuǎn) 鏡次鏡作為波前校正器是目前自適應(yīng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡研制過程中降低系統(tǒng)復(fù)雜程度，提高光能 利用率，充分利用大口徑望遠(yuǎn)鏡集光能力的有效方法。專利號為US6293680 Bl的美國專利公開了一種基于音圈電機(jī)驅(qū)動器的變形鏡， 該變形鏡采用音圈電機(jī)驅(qū)動鏡面，使用電容傳感器實時測量鏡面變形量，以保證鏡面面 型控制精度。基于上述原理，T. K. Barrett等針對6. 5m MMT望遠(yuǎn)鏡提出了采用音圈電機(jī) 驅(qū)動玻璃鏡面的變形次鏡方案(“Adaptive Secondary Mirror for the 6. 5-m MMT，，， SPIEvol. 3353754-763 (1998))。由于變形次鏡位于主鏡正上方，其發(fā)熱引起的大氣湍流對 望遠(yuǎn)鏡成像質(zhì)量有很大影響。設(shè)計者通過選用中心支撐超薄鏡面，以降低鏡面剛度，減小 驅(qū)動力要求，進(jìn)而減少驅(qū)動器發(fā)熱量，以及增加主動冷卻措施等方法降低變形次鏡熱輻射。 基于上述方法構(gòu)造的變形次鏡結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量大、鏡面諧振頻率低(約為50Hz)、輔助裝置 多，使用可靠性受限，且成本較高。A. P. Doel等提出一種基于磁致伸縮驅(qū)動器的變形次鏡 方案，并制造了小尺寸樣鏡(“Adaptive Secondary MirrorDevelopments at UCLSPIE Vol. 4007 532-536 (2000) ) 0這類變形次鏡雖行程較大，但其中采用的磁致伸縮驅(qū)動器驅(qū)動 電流大，未見實際應(yīng)用報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)不足；提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、剛度高、穩(wěn) 定性好、使用方便的變形次鏡。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是一種基于壓電驅(qū)動器的變形次鏡， 包含有鏡面、驅(qū)動器、剛性底座。其特征在于鏡面、驅(qū)動器、剛性底座粘接為整體；鏡面為 球殼結(jié)構(gòu)，正面為非球面同時作為變形鏡鏡面與望遠(yuǎn)鏡次鏡，背面為球面，下表面有與鏡面 為一體式結(jié)構(gòu)的極頭，以增大粘接面與鏡面距離，減小粘接過程導(dǎo)致的局部變形；驅(qū)動器兩 端分別粘接匹配接頭，保證驅(qū)動器與鏡面背面極頭底面、底座頂面緊密接觸，保證驅(qū)動器指 向，減少粘接過程導(dǎo)致的局部變形；剛性底座頂面為球面，保證驅(qū)動器支撐條件，并在保證 剛度的前提下實現(xiàn)輕量化；所述的壓電驅(qū)動器為層疊式壓電驅(qū)動器，驅(qū)動器兩端與鏡面背 面、底座頂面粘接面均為球面。
3
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(1)本發(fā)明所述變形次鏡局部變形小。本發(fā)明中采用了與分立式連續(xù)表面變形鏡 類似的極頭與鏡面一體式結(jié)構(gòu)，增大了驅(qū)動器粘接面與鏡面之間距離，有效地降低了粘接 面導(dǎo)致的局部變形。(2)本發(fā)明所述變形次鏡發(fā)熱量小。本發(fā)明中采用了壓電驅(qū)動器，發(fā)熱量小，不存 在現(xiàn)有方案中音圈電機(jī)、磁致伸縮驅(qū)動器的發(fā)熱問題。(3)本發(fā)明所述變形次鏡諧振頻率高。本發(fā)明中采用了剛度為200 300Ν/μπι的 高剛度壓電驅(qū)動器，鏡面通過高剛度驅(qū)動器與剛性底座相連，鏡面機(jī)械諧振頻率在1000Hz 以上。(4)本發(fā)明所述變形次鏡可靠性高。本發(fā)明采用了無發(fā)熱、高剛度的壓電驅(qū)動器作 為鏡面驅(qū)動機(jī)構(gòu)，高剛度底座作為支撐機(jī)構(gòu)的高穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)，免去了現(xiàn)有方案存在的發(fā)熱 量大、鏡面諧振頻率低等問題，無需額外的散熱裝置及消諧振設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。(5)本發(fā)明所述變形次鏡質(zhì)量小。本發(fā)明所述變形次鏡源自分立式連續(xù)表面變形 鏡，結(jié)構(gòu)緊湊，且底座在保證剛度的前提下輕量化，總質(zhì)量小。


圖1分立式連續(xù)表面變形鏡結(jié)構(gòu)示意2本發(fā)明變形次鏡結(jié)構(gòu)示意3本發(fā)明變形次鏡鏡面結(jié)構(gòu)示意4本發(fā)明變形次鏡中壓電驅(qū)動器結(jié)構(gòu)示意5本發(fā)明變形次鏡中層疊式壓電驅(qū)動器結(jié)構(gòu)示意中1為鏡面、2為驅(qū)動器、3為底座、4為鏡面極頭、5為壓電驅(qū)動器與鏡面接頭、 6為層疊式壓電驅(qū)動器、7為壓電驅(qū)動器與底座頂面接頭、8、9為層疊式壓電驅(qū)動器中相鄰 兩片壓電片、10、11分別為層疊式壓電驅(qū)動器正負(fù)驅(qū)動電極
具體實施例方式如圖2.所示，本發(fā)明的鏡面1、壓電驅(qū)動器2及剛性底座3粘接，構(gòu)成一個以剛性 底座3為支撐、壓電驅(qū)動器2為驅(qū)動機(jī)構(gòu)、鏡面1為反射面的壓電變形次鏡。如圖3.所示，鏡面1為球殼結(jié)構(gòu)，其上表面為非球面，同時作為變形鏡鏡面與望遠(yuǎn) 鏡次鏡及變形鏡鏡面，下表面為球面，極頭4與鏡面1為一體式結(jié)構(gòu)，可增加粘接面到鏡面 距離，減小粘接過程引入導(dǎo)致的局部變形殘差。鏡面1材料可根據(jù)實際要求選擇玻璃、鈹、 硅、鋁等可作為反射鏡的材料。如圖4所示，驅(qū)動器2為層疊式壓電驅(qū)動器，其兩端分別粘接匹配接頭5、7，保證驅(qū) 動器與鏡面極頭4下表面及底座3上表面緊密接觸，保證驅(qū)動器指向鏡面法線方向，減小粘 接過程導(dǎo)致的局部變形。壓電驅(qū)動器2中層疊式驅(qū)動器6結(jié)構(gòu)原理見圖5.，其中相鄰壓電 片8、9按照極化方向P相反的方向排列、粘接，并且在相鄰的壓電片界面分別安置驅(qū)動正負(fù) 電極10、11，從而構(gòu)成一個機(jī)械結(jié)構(gòu)上串聯(lián)，電器結(jié)構(gòu)并聯(lián)的驅(qū)動器。剛性底座3為整個變形次鏡的支撐件，其主要作用是提供足夠的剛度，作為鏡面 變形參考，可選用與鏡面材料熱膨脹系數(shù)相當(dāng)?shù)慕饘倩蚍墙饘俨牧?，可在保證剛度的前提下進(jìn)行輕量化設(shè)計以降低次鏡的總質(zhì)量。基于上述結(jié)構(gòu)，本發(fā)明實施例設(shè)計了一個以硅為鏡面、層疊式壓電驅(qū)動器為驅(qū)動 機(jī)構(gòu)、碳化硅輕量化結(jié)構(gòu)為底座，整體粘接而成的壓電變形次鏡。該變形次鏡口徑Φ350πιπι、 極間距38mm、行程士6 μ m、驅(qū)動單元數(shù)為73單元、總質(zhì)量約為7. 3kg。由上述分析可知，本發(fā)明所述的變形次鏡源于分立式連續(xù)表面變形鏡，具有結(jié)構(gòu) 緊湊、剛度高、穩(wěn)定性好、可靠性高、質(zhì)量小的特點?；诒景l(fā)明所述結(jié)構(gòu)研制的變形次鏡總 質(zhì)量與望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)現(xiàn)有次鏡相當(dāng)，可在不改變現(xiàn)有系統(tǒng)的前提下，裝備新型自適應(yīng)系統(tǒng)，降 低新系統(tǒng)實現(xiàn)難度。
權(quán)利要求
一種基于壓電驅(qū)動器的變形次鏡，包含有鏡面(1)、驅(qū)動器(2)、剛性底座(3)，所述鏡面(1)與驅(qū)動器(2)和剛性底座(3)粘接為整體，其特征在于所述鏡面(1)為球殼結(jié)構(gòu)，其正面為非球面，同時作為變形鏡鏡面與望遠(yuǎn)鏡次鏡，其背面為球面，所述的鏡面(1)的背面有用于與驅(qū)動器(2)粘接的極頭(4)；極頭(4)與鏡面(1)為一體式結(jié)構(gòu)，指向鏡面(1)背面法線方向；所述壓電驅(qū)動器(2)的兩端分別粘接第一匹配接頭(5)和第二匹配接頭(7)，第一匹配接頭(5)與鏡面(1)背面極頭(4)的粘接面為球面，第二匹配接頭(7)與剛性底座(3)頂面的粘接面為球面；所述剛性底座(3)頂面為球面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓電驅(qū)動器的變形次鏡，其特征在于所述壓電驅(qū)動器(2)為層疊式壓電驅(qū)動器。
全文摘要
基于壓電驅(qū)動器的變形次鏡包含鏡面、驅(qū)動器、剛性底座，鏡面、驅(qū)動器、剛性底座粘接為整體；鏡面為球殼結(jié)構(gòu)，正面為非球面同時作為變形鏡鏡面與望遠(yuǎn)鏡次鏡，背面為球面，下表面有與鏡面為一體式結(jié)構(gòu)的極頭，以增大粘接面與鏡面距離，減小粘接過程導(dǎo)致的局部變形；驅(qū)動器兩端分別粘接匹配接頭，保證驅(qū)動器與鏡面背面極頭底面、底座頂面緊密接觸，保證驅(qū)動器指向，減少粘接過程導(dǎo)致的局部變形；剛性底座頂面為球面，保證驅(qū)動器支撐條件，并在保證剛度的前提下實現(xiàn)輕量化。本發(fā)明中所述變形次鏡鏡面、驅(qū)動器、剛性底座粘接為整體，與現(xiàn)有的變形次鏡相比具有結(jié)構(gòu)緊湊、剛度高、穩(wěn)定性好、可靠性高、質(zhì)量小的特點，適用于需要較少驅(qū)動單元數(shù)變形次鏡的應(yīng)用領(lǐng)域。
文檔編號G02B26/08GK101923214SQ20101024478
公開日2010年12月22日 申請日期2010年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月4日
發(fā)明者萬勇建, 葉清秀, 官春林, 方敬忠, 樊新龍, 饒長輝 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所