[发明专利]球面金属变形镜及其一体化加工工艺

说明书

技术领域

本发明属于光学领域，涉及一种球面金属变形镜及其一体化加工工艺，尤其涉及一种大口径/大径厚比球面金属变形镜及其一体化加工工艺。

背景技术

变形镜用于成像系统的波前校正或反射镜本身面形精度的校正，已经在自适应光学系统中得到了广泛的应用。世界上比较著名的致力于变形镜技术研究的机构和公司有：美国空军研究实验室(AFRL)、美国Boston大学精密工程研究实验室(PERL)、TI公司、加州大学Berkeley分校、荷兰OKO公司、法国ALPAO公司、ImagingOptik公司、美国BMC公司、IrisAO公司以及Intellite公司等。

变形镜作为自适应光学技术的核心器件，按照驱动方式来分，主要有压电式、电磁式、静电吸引式、电致伸缩式以及液压式等几类。而按照反射镜镜面的形式来分，又可以分为连续镜面式、分块平移式以及分块倾斜加平移式等结构。由于压电驱动器响应速度快，位移分辨率高，可以提供的驱动力大，且具有较低的功耗，所以实用化程度最高。另外，考虑到连续镜面不存在衍射效应，不损失光能量，能够拟合连续波面，在反射镜口径中等的情况下成为了变形镜方案设计及研制的首选。因此，将压电驱动原理和连续镜面设计进行结合，就构成了目前广泛采用的连续镜面式压电驱动变形镜。

连续镜面式压电驱动变形镜具有灵敏度高、动态范围大、拟合误差小、能保持连续相位等诸多优点，在采用了层叠压电陶瓷之后，单元驱动器的形变可以增大很多，同时驱动器与镜面之间还能够根据需要设计各种结构，具有非常强的实施灵活设计的潜力。连续镜面式压电变形镜的结构由反射镜、驱动器阵列和支撑底盘三个部分组成。其基本工作原理是：驱动器阵列固定在支撑底盘上，通过改变加载于压电陶瓷上的电压值来使镜面产生不同的形变，达到动态改变反射镜面形并据此补偿波前畸变的目的。对于压电驱动连续经面式变形镜来说，反射镜的镜面边缘是自由的，所以驱动器阵列除了起到波前校正的作用以外，还起到支撑反射镜镜面的作用。

目前，市场上可以获得的科学级变形镜器件具有以下两个特点：第一，初始表面形状是平面；第二，口径大多是小于50mm，更大口径的器件几乎看不到。平面变形镜仅起到波前校正作用，对系统的总体光焦度没有贡献，也起不到系统初始像差平衡的作用；较小口径将严重限制变形镜在大型系统中的应用，由于波前校正需要在孔径、入瞳或者出瞳上实施，对光束进行过度压缩将对波前的测量和补偿精度带来影响。因此，较大口径的球面变形镜是研究方向之一。此外，玻璃材料，比如k4，单晶硅以及碳化硅等材料是变形镜反射镜镜面的常用材料，因为玻璃类材料易于获得高精度的光学表面。但是，玻璃材料质地偏软，极限许用应力较低，因此基于玻璃基底的变形反射镜的校正动态范围小，且工作带宽偏低。相比之下，金属材料弹性好，极限许用应力较高，因此以其作为变形反射镜的支撑底盘可以获得较大的校正动态范围。

发明内容

针对背景技术中描述的现有变形镜技术的局限性，本发明提供了一种可提供更大校正动态范围以及更高工作带宽的球面金属变形镜及其一体化加工工艺。

本发明的技术解决方案是：

本发明提出了一种球面金属变形镜，其特征在于：所述球面金属变形镜包括反射镜、驱动器阵列以及支撑底盘；所述反射镜与驱动器阵列之间通过过渡接头并以胶接方式连接，所述支撑底盘与驱动器阵列之间以螺接方式连接。

上述反射镜的工作表面为球面，所述反射镜的基底是金属材料，所述反射镜的口径不低于100mm，所述反射镜的径厚比不小于30。

上述驱动器阵列包括多个压电陶瓷驱动器；所述多个压电陶瓷驱动器以正六边形的方式排布。

上述驱动器阵列由61个压电陶瓷驱动器组成。

上述支撑底盘所采用材料的刚度远大于反射镜所采用材料的刚度。

本发明提出了一种针对如上所述的球面金属变形镜的一体化加工工艺，其特殊之处在于：所述一体化加工工艺包括以下步骤：

1)超薄金属反射镜的粗加工及表面成型加工；

2)将压电陶瓷驱动器阵列与支撑底盘通过螺钉连接；

3)从压电陶瓷驱动器阵列的头部套入用于限位及增强驱动器阵列刚度的网孔装保护性工装，并在网孔装保护性工装与支撑底盘之间设置三个垫块，三个垫块呈120°分布；

4)在驱动器阵列中的每个驱动器的头部安装用于与反射镜背部粘接的过渡接头，所述过渡接头的长度通过计算精确获得；

5)对过渡接头进行研磨，使过渡接头与反射镜背部曲率的走向匹配；