一种大口径偏摆镜的制作方法

本发明属于光束控制技术领域，具体涉及一种大口径高精度两轴偏摆镜。

背景技术：

在光学系统中，为了折转和控制光束，需用到高精度两轴偏摆镜。当前国内外都在大力开展一轴或两轴快速反射镜的研究，也有多种结构形式，但绝大多数都是口径小于100mm的快速反射镜。常用的大口径反射镜材料是微晶玻璃和碳化硅，反射镜支撑结构件材料一般选用钛合金或殷钢，通过胶粘或螺纹连接进行连接。在宽温度变化范围工作时(如-50℃～70℃)，由于反射镜、反射镜支撑结构材料和胶的线膨胀系数的不一致会使得反射镜镜体上产生内应力，引起镜体变形，导致反射镜镜面面形精度下降。两轴快速反射镜的反射镜组件等运动部件由柔性支撑结构件进行支撑，同时需要能够沿相互垂直的x轴和y轴进行转动。随着反射镜口径的加大，反射镜组件及其支撑结构座的重量会急剧增大。500mm口径的金属反射镜组件及其支撑结构座重量可达40kg以上，大的重量使得两自由度柔性支撑结构件的设计具有很大的难度。因此，对于用于宽温度变化范围下口径大于500mm的高精度两轴偏摆镜，其整体结构设计具有很大的挑战性。

cn104777608a公开了一种大口径精密光束指向装置，属于精密光束指向领域，该装置采用4个音圈电机和4个位置传感器，是本专业的常识，包括基板、大口径反射镜及驱动组件，大口径反射镜的背面通过两自由度轴承支承于基板上，驱动组件安装于基板上，驱动组件的驱动端与大口径反射镜相连并可带动所述大口径反射镜在两个自由度上运动。所述驱动组件包括四个音圈驱动电机，所述四个音圈驱动电机均布于两自由度轴承的四周、且两两串联驱动。本发明可满足大幅面稳像应用需求，明显提高稳定精度，大大简化加工和装配过程。在cn104777608a中，两自由度轴承和音圈电机直接安装在反射镜的背部，音圈电机和两自由度柔性支撑结构件安装产生的应力和使用过程中的产生的力直接作用在反射镜镜体上，严重影响反射镜镜面面形精度，且反射镜口径不会大于200mm。

cn105929519a公开了一种串联承载式快速反射镜结构，采用柔性支撑作为与反射镜镜框直接接触的结构，用于约束快速反射镜的自由度；滚珠位于柔性支撑中心固定柱底端的尾孔中，通过球面座与压缩弹簧一起组成刚性支承调整柔性支承结构与反射镜镜框之间的间隙，减小快速反射镜在运动过程与镜框之间的间隙，实现对反射镜偏转位置的粗调整；位敏传感器通过接收反射镜位置的信号并将其反馈给控制系统，音圈电机接收来自控制系统的指令信号，实现对反射镜位置的精调整；反射镜镜框由与位敏传感器交错排布的四个音圈电机直接推动，使得整个结构更为紧凑。cn105929519a柔性支撑采用滚珠，使用过程中会存在摩擦力。反射镜通过胶结的方式与反射镜镜框连接，在宽温度变化时，由于反射镜材料、胶和反射镜镜框的线膨胀系数不一致，会产生应力，导致反射镜镜面面形精度的下降。本领域技术人员根据专业知识可知该反射镜口径在100mm以内。

cn106324789a公开了通用大口径刚性承载式快速反射镜，涉及精密光学机械结构设计技术领域，解决现有刚性承载式快速反射镜无法限制z向转动自由度、小型化困难以及通用性差等问题，万向球轴承与柔性环相结合的结构设计能够为大口径反射镜提供刚性支撑，并且提供绕xy轴的二维旋转自由度并限制其他方向的自由度；平面反射镜通过光学环氧胶与反射镜座粘结，能够减小温度、振动等对反射镜面形和位置的影响；采用四个直线音圈电机两两推拉的方式驱动反射镜，增加转动力矩并且便于角度解算；采用四个电涡流传感器差动式测量，提高控制系统角度调整精度；驱动组件和传感器组件交错对称布置，减小系统结构尺寸；通用化的安装上盖，便于快速反射镜在各种领域的安装使用。cn106324789a平面反射镜通过光学环氧胶与反射镜座粘结，在宽温度变化时，由于反射镜材料、光学环氧胶和反射镜镜座的线膨胀系数不一致，会产生应力，导致反射镜镜面面形精度的下降。两轴支撑结构采用万向球轴承，使用过程中会产生摩擦力。根据本领域技术人员的专业知识可知，该支撑方式支撑的反射镜口径不会大于100mm。该两轴支撑结构无法保证转动中心和运动部件的重心重合，运动性能不佳，因为其转动中心为万向球轴承的中心，反射镜和反射镜支撑座等运动部件的重心位于其上方。

技术实现要素：

本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，提供了一种大口径(口径200mm以上)偏摆镜，用于光束的折转和控制。为实现上述目的，本发明的技术方案具体如下：

本发明提供了一种大口径偏摆镜，包括：反射镜组件，所述反射镜组件包括金属平面反射镜和反射镜支撑结构件，所述金属平面反射镜和所述反射镜支撑结构件两者材料相同，所述金属平面反射镜和所述反射镜支撑结构件为通过激光焊接连接；反射镜组件支撑座，用于安装所述反射镜组件；底座，所述反射镜组件支撑座通过两自由度柔性支撑结构件安装在所述底座上，反射镜组件能绕相互垂直的x轴和y轴进行转动；音圈电机，所述音圈电机的动子安装在所述反射镜组件支撑座上，所述音圈电机的定子安装在所述底座上。在本发明中，金属平面反射镜通过反射镜支撑结构件进行支撑，两者采用同一种材料，组成反射镜组件。然后反射镜组件安装在反射镜组件支撑座上。音圈电机和两自由度柔性支撑结构件均安装在反射镜组件支撑座，不会对反射镜产生影响。本发明提供了一种500mm口径金属平面反射镜的支撑结构和方式，该支撑结构和方式能使得-50℃～70℃温度范围内镜面面形精度rms值优于1/30λ(λ＝632.8nm)。本发明提供的具有两自由度的柔性支撑结构能支撑40kg以上重量，在该两自由度柔性支撑结构件支撑下，使得运动部件的重心和转动中心重合，能保证最佳的运动性能。发明的两自由度柔性支撑结构件通过柔性变形实现两轴转动功能，没有摩擦力。

在一些实施例中，进一步优选地，所述金属平面反射镜的材料为硅铝合金。

在一些实施例中，所述金属平面反射镜上均布有悬臂式支撑结构，所述悬臂式支撑结构上设置有圆柱和第一圆孔；所述反射镜支撑结构件上均布有柔性支撑元件，所述柔性支撑元件上设有第二圆孔和紧固件安装孔；所述圆柱和所述第二圆孔的配合间隙处通过激光焊接连接，所述第一圆孔和所述紧固件安装孔通过紧固件连接。进一步优选地，在一些实施例中，所述悬臂式支撑结构的数量和所述柔性支撑元件的数量相同，均≥3个。

在一些实施例中，所述两自由度柔性支撑结构件包括第一柔性板、第二柔性板、第三柔性板和第四柔性板，所述第一柔性板、第二柔性板、第三柔性板和第四柔性板组成了金字塔状结构，第一柔性板和第二柔性板相对布置且成90°夹角，第三柔性板和第四柔性板相对布置且成90°夹角。进一步优选地，在一些实施例中，所述第一柔性板包括第一安装面，所述第二柔性板包括第二安装面，所述第三柔性板包括第三安装面，所述第四柔性板包括第四安装面，所述第一安装面和所述第二安装面通过紧固件安装在所述反射镜组件支撑座上，所述第三安装面和所述第四安装面通过紧固件安装在所述底座上。

在一些实施例中，所述大口径偏摆镜还包括：位置传感器，安装在所述底座上，用于对金属平面反射镜的转动角度进行测量。进一步优选地，在一些实施例中，所述位移传感器的数量≥4个，且所述位移传感器周向均布在所述底座上，且均布在所述音圈电机之间。

在一些实施例中，所述大口径偏摆镜还包括：限位机构，安装在所述底座上，用于对金属平面反射镜的转动角度进行限位。进一步优选地，在一些实施例中，所述限位机构的≥4个，且所述限位机构周向均布在所述底座上。

在一些实施例中，所述音圈电机的数量≥4个，周向均布在所述底座上。

在一些实施例中，所述金属平面反射镜的材料与所述反射镜支撑结构件的材料相同，进一步优选地，所述金属平面反射镜的材料为硅铝合金。

本发明的技术方案与现有技术相比，有益效果在于：

本发明的大口径偏摆镜，金属平面反射镜口径可达500mm，重量轻，仅有12kg。金属平面反射镜和反射镜支撑结构材料采用同一种金属材料进行加工，两者通过均布多点处的激光焊接进行连接，组成反射镜组件，能在-50℃～70℃工作温度范围内保证金属平面反射镜的镜面面形精度rms值优于1/30λ(λ＝632.8nm)。两自由度柔性支撑结构件在支撑40kg重量情况下，能够使金属平面反射镜绕相互垂直的x轴和y轴转动，转动中心与反射镜组件等运动部件的重心重合，能保证最佳的运动性能。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例的大口径偏摆镜的结构示意图；

图2为根据图1的大口径偏摆镜的俯视图；

图3为根据图1的大口径偏摆镜的e-e向剖视图；

图4为根据图1的大口径偏摆镜的f-f向剖视图；

图5为根据本发明一个实施例的金属平面反射镜的结构示意图；

图6为根据本发明一个实施例的金属平面反射镜支撑结构的结构示意图；

图7为根据本发明一个实施例的反射镜组件的结构示意图；

图8为根据本发明一个实施例的两自由度柔性支撑结构件的结构示意图；

图9为根据图8的两自由度柔性支撑结构件的侧视图。

附图标记：100、大口径偏摆镜；10、反射镜组件；1、金属平面反射镜；101、悬臂式支撑结构；102、圆柱；103、第一圆孔；2、反射镜支撑结构件；201、柔性支撑元件；202、第二圆孔；203、紧固件安装孔；3、反射镜组件支撑座；4、两自由度柔性支撑结构件；41、两自由度柔性支撑结构件的转动中心；42、两自由度柔性支撑结构件的中心线；401、第一柔性板；402、第二柔性板；403、第三柔性板；404、第四柔性板；411、第一安装面；422、第二安装面；433、第三安装面；444、第四安装面；5、底座；6、音圈电机；61、音圈电机的动子；62、音圈电机的定子；7、位置传感器；8、限位机构；16、螺钉；17、圆柱和第二圆孔的配合缝隙。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

参考图1-2，在具体的实施例中，本发明公开了一种大口径偏摆镜100，包括：反射镜组件10，所述反射镜组件10包括金属平面反射镜1和反射镜支撑结构件2，所述金属平面反射镜1和所述反射镜支撑结构件2为通过激光焊接连接；反射镜组件支撑座3，用于安装所述反射镜组件10；底座5，所述反射镜组件支撑座3通过两自由度柔性支撑结构件4安装在所述底座5上；音圈电机6，音圈电机的动子61安装在所述反射镜组件支撑座3上，音圈电机的定子62安装在所述底座5上。优选地，所述反射镜组件10通过止口配合用螺钉固定安装在所述反射镜组件支撑座3上。反射镜组件10通过止口配合用螺钉固定安装在反射镜组件支撑座3上。反射镜组件支撑座3是反射镜组件10的安装座，也是音圈电机的动子9的安装座，同时也是连接两自由度柔性支撑结构件4的安装座。反射镜组件支撑座3通过两自由度柔性支撑结构件4安装在底座5上。

进一步优选地，在具体的实施例中，本发明公开的大口径高精度两轴偏摆镜100的工作原理可以具体描述为：金属平面反射镜1与反射镜支撑结构件2通过均布六点处第一圆孔103和圆柱102的激光焊接进行连接，组成反射镜组件10，两者使用同一种金属材料，线膨胀系数一致，宽温度变化工作环境下金属平面反射镜1的面形精度具有良好的稳定性。反射镜组件10安装在反射镜组件支撑座3上，反射镜组件支撑座3通过两自由度柔性支撑结构件4与底座5相连接，4个音圈电机6均布安装在底座5和反射镜组件支撑座3上，能驱动金属平面反射镜1绕相互垂直的x轴和y轴进行转动，x轴和y轴交点为两自由度柔性支撑结构件的转动中心41，金属平面反射镜1、反射镜支撑结构件2、反射镜组件支撑座3、音圈电机的动子61组成的运动部件的重心与两自由度柔性支撑结构件的转动中心41重合，可实现最佳的运动性能。两自由度柔性支撑结构件4支撑下的反射镜组件等运动部件只有绕x轴和y轴的两个转动自由度，不具有沿x轴、y轴和z轴的三个轴向平动自由度和绕z轴的转动自由度。这种结构设计能保证两自由度柔性支撑结构件4能支撑起重量40kg的反射镜组件等运动部件，同时能使反射镜组件等运动部件可绕x轴和y轴进行小角度的转动。4个均布的高精度位置传感器7能测量出转动角度，并反馈给4个均布的音圈电机6进行驱动控制，4个均布的限位结构8能对转动角度大小进行限位。

如图5所示，在具体的实施例中，优选地，所述金属平面反射镜1的材料为硅铝合金。所述金属平面反射镜1上均布有悬臂式支撑结构101，所述悬臂式支撑结构101上设置有圆柱102和第一圆孔103。进一步优选地，在具体的实施例中，所述悬臂式支撑结构101的尺寸可以为：长度56mm，宽度28mm，厚度8mm；悬臂式支撑结构101上有直径14mm，高度3mm的圆柱102和m6螺纹孔103。

如图6所示，所述反射镜支撑结构件2上均布有柔性支撑元件201，所述柔性支撑元件201上设有第二圆孔202和紧固件安装孔203；所述圆柱102和所述第二圆孔202的配合间隙处通过激光焊接连接，所述第一圆孔103和所述紧固件安装孔203通过紧固件连接。优选地，所述紧固件为螺钉，所述紧固件安装孔203为螺钉安装孔。优选地，反射镜支撑结构件2上设有6个均布的“l型”柔性支撑元件201，其支撑悬臂的长度为49mm，宽度为36mm，厚度为6mm。柔性支撑元件201上有圆柱102和第一圆孔103相对应的直径为14mm的第二圆孔202和螺钉安装孔。

如图7所示，在具体的实施例中，金属平面反射镜1和反射镜支撑结构件2的材料相同，均为硅铝合金(例如，alsi40或alsi42)。优选地，金属平面反射镜1和反射镜支撑结构件2通过6个m6螺钉16固定安装在一起，并对6个圆柱102和第二圆孔202的配合缝隙17处进行周向激光焊接，焊接深度1mm-3mm，组成反射镜组件10。螺钉连接主要起轴向固定作用，圆柱102和第二圆孔22处的激光焊接除了起连接作用外还具有销定位的功能。

优选地，在具体的实施例中，所述悬臂式支撑结构101的数量和所述柔性支撑元件201的数量相同，均≥3个，进一步优选为6个，所述金属平面反射镜1通过其背部周向均布六点处的激光焊接与所述反射镜支撑结构件2相连接组成反射镜组件10。

如图8-9所示，在具体的实施例中，所述两自由度柔性支撑结构件4包括四个相同的柔性板(第一柔性板401、第二柔性板402、第三柔性板403和第四柔性板404)，所述第一柔性板401、第二柔性板402、第三柔性板403和第四柔性板404组成了金字塔状结构，第一柔性板401和第二柔性板402相对布置且成90°夹角，第三柔性板403和第四柔性板404相对布置且成90°夹角。优选地，在具体的实施例中，所述第一柔性板401包括第一安装面411，所述第二柔性板402包括第二安装面422，所述第三柔性板403包括第三安装面433，所述第四柔性板404包括第四安装面444，所述第一安装面411和所述第二安装面422通过紧固件(图中未示出)安装在所述反射镜组件支撑座3上，所述第三安装面433和所述第四安装面444通过紧固件(图中未示出)安装在所述底座5上。所述紧固件可优选为螺钉。进一步优选地，两自由度柔性支撑结构件4的材料为钛合金(tc4)，柔性板最薄处的厚度为1.6mm。第一柔性板401和第二柔性板402的中线交点11为两自由度柔性支撑结构件4的转动中心，第三柔性板403和第四柔性板404的中线交点也位于该点处。两个相对的柔性板(第一柔性板401和第二柔性板402)的安装面(第一安装面411和第二安装面422)通过4个m10的螺钉固定安装在反射镜组件支撑座3上，并通过4个φ10mm销钉进行定位，另外两个相对称的柔性板(第三柔性板403和第四柔性板404)的安装面(第三安装面433和第四安装面444)通过4个m10的螺钉固定安装在底座5上，并通过4个φ10mm销钉进行定位。两自由度柔性支撑结构件4的中心线42与金属平面反射镜1的中心线相重合。4个音圈电机6绕中心线42周向成90°间隔均布安装在底座5上，其中，音圈电机6的动子9安装在反射镜组件支撑座3上，音圈电机6的定子10安装在底座5上。4个位置传感器7绕中心线42周向成90°间隔均布安装在底座5上；4个限位机构8绕中心线42周向成90°间隔均布安装在底座5上。

如图1-2所示，在具体的实施例中，所述大口径偏摆镜100还包括：位置传感器7，安装在所述底座5上，用于对金属平面反射镜1的转动角度进行测量。优选地，在具体的实施例中，所述位移传感器7的数量≥4个，且所述位移传感器周7向均布在所述底座5上，且均布在所述音圈电机6之间。进一步优选地，所述位移传感器7的数量为4个，周向均布安装在底座5上，能对金属平面反射镜的转动角度进行测量。

如图1-2所示，在具体的实施例中，所述大口径偏摆镜100还包括：限位机构8，安装在所述底座5上，用于对金属平面反射镜1的转动角度进行限位。优选地，在具体的实施例中，所述限位机构8的数量≥4，且所述限位机构8周向均布在所述底座上。进一步优选地，所述限位机构8的数量为4个，周向均布安装在底座5上，能对金属平面反射镜1的转动角度进行限位。

在具体的实施例中，所述反射镜组件支撑座3的数量和所述音圈电机6的数量相同，均≥4个。进一步优选地，所述音圈电机6的数量为4个，周向均布安装在底座5和反射镜组件支撑座3上，其中，音圈电机的动子61安装在反射镜组件支撑座3上，音圈电机的定子62安装在底座5上，能驱动金属平面反射镜1绕相互垂直的x轴和y轴进行转动。

在具体的实施例中，所述金属平面反射镜的口径为500mm。所述金属平面反射镜的材料与所述反射镜支撑结构件的材料相同，进一步优选地，所述金属平面反射镜的材料为硅铝合金(alsi40或alsi42)。

在其他的具体实施方式中，金属平面反射镜1、反射镜支撑结构件2、两自由度柔性支撑结构件4的材料还可以选用其他金属材料，金属平面反射镜1的口径和支撑结构件尺寸还可以为其他数值，这里不再赘述。

本发明的技术方案与现有技术相比，有益效果在于：

本发明的大口径偏摆镜，金属平面反射镜口径可达500mm，重量轻，仅有12kg。金属平面反射镜和反射镜支撑结构材料采用同一种金属材料进行加工，两者通过均布六点处的激光焊接进行连接，组成反射镜组件，能在-50℃～70℃工作温度范围内保证金属平面反射镜的镜面面形精度rms值优于1/30λ(λ＝632.8nm)。两自由度柔性支撑结构件在支撑40kg重量情况下，能够使金属平面反射镜绕相互垂直的x轴和y轴转动，转动中心与运动部件的重心重合，能保证最佳的运动性能。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。