本發(fā)明屬于光學(xué)領(lǐng)域，涉及一種變曲率反射鏡裝置。

背景技術(shù)：

變曲率反射鏡屬于一種主動(dòng)光學(xué)元件，其雛形最早可以追溯到1973年耶路撒冷希伯來(lái)大學(xué)的研究成果。此后，前蘇聯(lián)，德國(guó)，美國(guó)、法國(guó)等均圍繞變曲率反射鏡技術(shù)開(kāi)展了大量的研究和原型裝置的研制工作，中國(guó)科研人員近些年來(lái)也加入到該領(lǐng)域的研究當(dāng)中。

變曲率反射鏡有兩個(gè)主流的應(yīng)用領(lǐng)域。其一是提升高能激光器的輸出光束品質(zhì)；其二是實(shí)現(xiàn)無(wú)運(yùn)動(dòng)部件光學(xué)變焦。高能激光器工作時(shí)的高功率會(huì)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(jìn)而惡化輸出光束的品質(zhì)。變曲率反射鏡能夠通過(guò)改變自身的曲率半徑對(duì)熱透鏡效應(yīng)引起的球差及離焦進(jìn)行有效補(bǔ)償，從而達(dá)到提升激光器光束品質(zhì)的目的。傳統(tǒng)變焦技術(shù)，無(wú)論是機(jī)械補(bǔ)償式還是光學(xué)補(bǔ)償式都依賴鏡片或鏡組之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在一定程度上限制了其在對(duì)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。變曲率反射鏡的出現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)無(wú)運(yùn)動(dòng)部件變焦提供了技術(shù)上的可能性，簡(jiǎn)言之，反射鏡曲率的變化對(duì)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(guò)光學(xué)杠桿效應(yīng)光學(xué)設(shè)計(jì)被放大為系統(tǒng)焦距的大幅度改變。

反射鏡曲率變化的機(jī)理根源在于薄板彈性理論。相關(guān)文獻(xiàn)表明，目前有以下兩種能夠?qū)崿F(xiàn)曲率變化的方式。第一，單驅(qū)動(dòng)點(diǎn)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(yuǎn)小于反射鏡半徑)。根據(jù)薄板彈性理論，這種驅(qū)動(dòng)方式在全反射鏡直徑范圍之內(nèi)既不能產(chǎn)生球面變形，也無(wú)法產(chǎn)生拋物面變形，且驅(qū)動(dòng)力越大，與曲率變化所要求的理想面形改變相差就越遠(yuǎn)，因此實(shí)際中很少使用。第二，利用推力環(huán)與支撐環(huán)兩環(huán)結(jié)構(gòu)，通過(guò)環(huán)形線接觸負(fù)載驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)曲率的變化。如圖1所示，推力環(huán)的一端是實(shí)體表面，另外一端則是空心的，采用單點(diǎn)驅(qū)動(dòng)直接作用于實(shí)體表面一端的中心區(qū)域，通過(guò)實(shí)體表面端和驅(qū)動(dòng)環(huán)環(huán)壁對(duì)驅(qū)動(dòng)力的傳導(dǎo)來(lái)實(shí)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(fù)載驅(qū)動(dòng)在推力環(huán)覆蓋的區(qū)域之內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)完美的拋物面面形，所以與單點(diǎn)中心驅(qū)動(dòng)相比實(shí)用性更強(qiáng)。

如果說(shuō)耶路撒冷希伯來(lái)大學(xué)代表了變曲率反射鏡研究的起點(diǎn)，那么美國(guó)則成為了當(dāng)今該領(lǐng)域研究的領(lǐng)跑者。美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正是利用上述環(huán)形線負(fù)載驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)反射鏡曲率變化的。之后，中國(guó)的多個(gè)科研機(jī)構(gòu)都仿效類似的機(jī)理進(jìn)行了原型裝置的研制，但是存在共性的幾個(gè)問(wèn)題，使得現(xiàn)有的環(huán)形線負(fù)載驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)難以同時(shí)兼顧較大的中心形變以及形變過(guò)程中的面形精度保持：

1)環(huán)形線負(fù)載驅(qū)動(dòng)依然屬于直接接觸式力驅(qū)動(dòng)，必然在反射鏡的表面引起應(yīng)力累積。當(dāng)反射鏡的直徑及徑厚比較小時(shí)，這種應(yīng)力累積不足以破壞面形精度；而當(dāng)反射鏡的直徑及徑厚比較大時(shí)，反射鏡表面應(yīng)力的累積將對(duì)面形精度的保持形成嚴(yán)重的阻礙。

2)在環(huán)形線負(fù)載驅(qū)動(dòng)模型中，驅(qū)動(dòng)環(huán)的半徑不是任意選取的。研究表明，過(guò)小的驅(qū)動(dòng)環(huán)半徑會(huì)使曲率變化模型逐漸向單點(diǎn)直接接觸式驅(qū)動(dòng)模型轉(zhuǎn)變，不利于理想曲率變化所需面形的產(chǎn)生；而過(guò)大的驅(qū)動(dòng)環(huán)半徑則要求驅(qū)動(dòng)環(huán)產(chǎn)生更大的驅(qū)動(dòng)力，更大的驅(qū)動(dòng)力會(huì)加劇反射鏡表面應(yīng)力的累積，不利于面形精度的保持。因此驅(qū)動(dòng)環(huán)的半徑應(yīng)該得到優(yōu)化。

3)環(huán)形線負(fù)載模型要求反射鏡的邊緣處于簡(jiǎn)支狀態(tài)(只限制位移，不限制轉(zhuǎn)動(dòng))，而最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)支的方法就是令反射鏡與支撐結(jié)構(gòu)之間相互獨(dú)立，從而允許反射鏡沿其與支撐結(jié)構(gòu)的接觸位置自由伸縮。然而，這種方式要求反射鏡、驅(qū)動(dòng)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(shí)，反射鏡與鏡筒之間就會(huì)產(chǎn)生間隙，三軸之間的不共線會(huì)使反射鏡沿與中心軸垂直的平面?zhèn)认蚧瑒?dòng)，從而引入非對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而破壞反射鏡的面形精度。此外，如果發(fā)生側(cè)向滑動(dòng)，就意味著反射鏡在一些位置處還會(huì)受到來(lái)自鏡筒結(jié)構(gòu)的擠壓，會(huì)更加惡化反射鏡的面形精度。因此，在滿足簡(jiǎn)支近似無(wú)約束條件的前提下，應(yīng)該解決反射鏡形變過(guò)程中的空間位置穩(wěn)定性問(wèn)題。

美國(guó)(Appl.Phys.B 82,275–281(2006))，中國(guó)(CN201010108376.6)，中國(guó)(光學(xué)精密工程，18(8)：1781-1787，2010)等采用的都是如圖1所展示的單驅(qū)動(dòng)點(diǎn)環(huán)形線負(fù)載曲率變化結(jié)構(gòu)，無(wú)法解決前面所提及的幾個(gè)問(wèn)題，同時(shí)也沒(méi)有對(duì)環(huán)形線負(fù)載驅(qū)動(dòng)曲率變化結(jié)構(gòu)(尤其是驅(qū)動(dòng)環(huán)的半徑)進(jìn)行優(yōu)化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有的變曲率反射鏡裝置無(wú)法兼顧較大的中心形變以及形變過(guò)程中的面形精度保持的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種新型變曲率反射鏡裝置，不但能夠?qū)崿F(xiàn)較大的中心形變，而且能夠在形變的過(guò)程中始終保持較高的面形精度。

本發(fā)明的技術(shù)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(qū)動(dòng)器、鏡筒和支撐底盤(pán)，其特殊之處在于：

所述反射鏡、推力環(huán)、驅(qū)動(dòng)器及支撐底盤(pán)均與鏡筒同軸設(shè)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(guò)一體化成型加工構(gòu)成一個(gè)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，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(nèi)徑與環(huán)形中空基座的內(nèi)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(jié)構(gòu)且與反射鏡的背部接觸，推力環(huán)的另一端與驅(qū)動(dòng)器一端相連；驅(qū)動(dòng)器的另一端與支撐底盤(pán)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(biāo)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(qū)動(dòng)器與支撐底盤(pán)之間設(shè)置有可調(diào)的接觸間隙，用來(lái)實(shí)現(xiàn)推力環(huán)與反射鏡的預(yù)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(pán)的材料強(qiáng)度高于反射鏡的材料強(qiáng)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(shí)，反射鏡能夠?qū)Νh(huán)形推力產(chǎn)生的不均勻的壓應(yīng)力進(jìn)行差異化響應(yīng)，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(jié)構(gòu)不再通過(guò)相互獨(dú)立的方式滿足簡(jiǎn)支條件，而是將漸變厚度反射鏡的邊緣與環(huán)形超薄壁結(jié)構(gòu)通過(guò)一體化成型加工構(gòu)成一個(gè)整體，極薄的邊緣既可以滿足簡(jiǎn)支撐近似無(wú)約束的條件，也能夠使形變時(shí)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(fù)載驅(qū)動(dòng)所存在的由反射鏡側(cè)向滑動(dòng)導(dǎo)致的非對(duì)稱擠壓現(xiàn)象。此外，當(dāng)反射鏡形變時(shí)，較為集中的壓應(yīng)力從原先推力環(huán)覆蓋的區(qū)域轉(zhuǎn)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(yīng)力對(duì)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(shuō)明

圖1為經(jīng)典環(huán)形線接觸負(fù)載驅(qū)動(dòng)曲率變化機(jī)理的實(shí)現(xiàn)形式示意。

圖2為本發(fā)明較佳實(shí)施例的變曲率反射鏡裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明較佳實(shí)施例反射鏡結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是單晶硅材質(zhì)反射鏡的驅(qū)動(dòng)力大小與驅(qū)動(dòng)半徑對(duì)應(yīng)關(guān)系圖。

圖5是K9玻璃材質(zhì)反射鏡的驅(qū)動(dòng)力大小與驅(qū)動(dòng)半徑對(duì)應(yīng)關(guān)系圖。

圖6是AISI420不銹鋼材質(zhì)反射鏡的驅(qū)動(dòng)力大小與驅(qū)動(dòng)半徑對(duì)應(yīng)關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

參見(jiàn)圖2，本發(fā)明較佳實(shí)施例的變曲率反射鏡裝置由反射鏡組件1、推力環(huán)2、驅(qū)動(dòng)器3(可以采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器)、連接驅(qū)動(dòng)器的支撐底盤(pán)4以及鏡筒5構(gòu)成。反射鏡1、推力環(huán)2、驅(qū)動(dòng)器3以及連接驅(qū)動(dòng)器的支撐底盤(pán)4均與鏡筒5高精度同軸。反射鏡1與推力環(huán)2材質(zhì)相同，而鏡筒5及支撐底盤(pán)4所采用材料的強(qiáng)度高于反射鏡材料的強(qiáng)度。

其中，反射鏡組件1與鏡筒5之間通過(guò)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(guò)一體化成型加工構(gòu)成一個(gè)完整的整體。推力環(huán)2的一端為環(huán)形中空結(jié)構(gòu)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(gè)螺紋孔的實(shí)心底板用于同驅(qū)動(dòng)器3的頭部連接。驅(qū)動(dòng)器3的頭部與環(huán)狀推力環(huán)2的實(shí)心底板的中心通過(guò)螺紋連接，而其尾部同樣與支撐底盤(pán)4通過(guò)螺釘連接，與此同時(shí)驅(qū)動(dòng)器3與支撐底盤(pán)4之間設(shè)置有可調(diào)的接觸間隙，用來(lái)實(shí)現(xiàn)推力環(huán)與反射鏡的預(yù)緊。鏡筒5的頭部與反射鏡組件1通過(guò)螺紋連接的一端具有一個(gè)類似墊圈的底板，而底板中央開(kāi)有一個(gè)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(dǎo)推力環(huán)2的頭部與反射鏡背部進(jìn)行接觸預(yù)緊，以此實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)力的傳遞。

與常規(guī)等厚反射鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同，在本發(fā)明較佳實(shí)施例的結(jié)構(gòu)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(duì)應(yīng)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(biāo)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(shí)，反射鏡的邊緣不再與支撐結(jié)構(gòu)獨(dú)立，而是通過(guò)環(huán)形超薄壁結(jié)構(gòu)與鏡筒連接為一個(gè)有機(jī)的整體，且這個(gè)整體是通過(guò)一體化成型加工直接獲得的，沒(méi)有任何輔助的連接部件。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的改變直接帶來(lái)了以下兩個(gè)顯著的好處：

其一，研究表明，傳統(tǒng)的環(huán)形線負(fù)載驅(qū)動(dòng)曲率變化結(jié)構(gòu)會(huì)在反射鏡表面產(chǎn)生分布非常不均勻的壓應(yīng)力，其中應(yīng)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(gè)位置處的剛度恒定，所以自然導(dǎo)致推力環(huán)覆蓋區(qū)域的微觀形變要遠(yuǎn)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(duì)環(huán)形推力所產(chǎn)生的不均勻的壓應(yīng)力進(jìn)行差異化響應(yīng)，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(jié)構(gòu)通過(guò)一體化成型加工構(gòu)成一個(gè)整體，極薄的邊緣既可以滿足簡(jiǎn)支撐近似無(wú)約束的條件，也能夠使形變時(shí)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(fù)載驅(qū)動(dòng)所存在的由反射鏡側(cè)向滑動(dòng)導(dǎo)致的非對(duì)稱擠壓現(xiàn)象。典型工況下，本發(fā)明提供的環(huán)形線負(fù)載驅(qū)動(dòng)變曲率反射鏡結(jié)構(gòu)形變時(shí)的壓應(yīng)力分布情況顯示，在推力環(huán)直接作用的區(qū)域，壓應(yīng)力明顯高于其他區(qū)域。但是應(yīng)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(jié)構(gòu)上。由此可知，集中應(yīng)力的轉(zhuǎn)移是反射鏡形變時(shí)面形精度依然保持較高水平的本質(zhì)原因。

漸變厚度反射鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及反射鏡邊緣與環(huán)形超薄壁結(jié)構(gòu)的一體化連接可以起到轉(zhuǎn)移集中應(yīng)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(yīng)力，且壓應(yīng)力的大小與驅(qū)動(dòng)力的大小直接相關(guān)，因此在實(shí)現(xiàn)可比擬中心形變的前提下，適當(dāng)降低所需驅(qū)動(dòng)力對(duì)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(qū)動(dòng)力大小與推力環(huán)外徑之間存在非線性的關(guān)系。以產(chǎn)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(duì)應(yīng)的所需驅(qū)動(dòng)力與推力環(huán)外徑之間的數(shù)值關(guān)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(duì)比可以看出，無(wú)論是哪種反射鏡材料，當(dāng)推力環(huán)外徑超過(guò)1/2反射鏡有效直徑之后，形變所需要的驅(qū)動(dòng)力都將急劇增加，而當(dāng)推力外徑小于1/2反射鏡直徑時(shí)，達(dá)到相同中心形變所需的驅(qū)動(dòng)力并沒(méi)有太大變化。當(dāng)所期望的形變量增大時(shí)，這種臨界效應(yīng)就變得更加顯著。對(duì)于單晶硅反射鏡來(lái)說(shuō)，若以中心形變量20um為例，當(dāng)推力環(huán)外徑從8.8mm增加到22mm時(shí)，總驅(qū)動(dòng)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(shí)，總驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)力就越小，但是由于過(guò)小的推力環(huán)外徑不利于產(chǎn)生理想的曲率變化，因此有理由認(rèn)為：當(dāng)推力環(huán)外徑取為反射鏡直徑1/2的數(shù)值時(shí)，就可以較小的驅(qū)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)較大的中心形變。通過(guò)對(duì)其他材料反射鏡，如不銹鋼反射鏡以及K9玻璃反射鏡進(jìn)行類似的分析以后，本發(fā)明認(rèn)為，推力環(huán)外徑最佳的取值應(yīng)該為反射鏡直徑的一半。此時(shí)，不但能夠以較小的驅(qū)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)較大的中心形變，而這對(duì)于降低反射鏡表面應(yīng)力的累積以及形變后的面形保持都是有益的。