变曲率反射镜装置的制作方法

本发明属于光学领域，涉及一种变曲率反射镜装置。

背景技术：

变曲率反射镜属于一种主动光学元件，其雏形最早可以追溯到1973年耶路撒冷希伯来大学的研究成果。此后，前苏联，德国，美国、法国等均围绕变曲率反射镜技术开展了大量的研究和原型装置的研制工作，中国科研人员近些年来也加入到该领域的研究当中。

变曲率反射镜有两个主流的应用领域。其一是提升高能激光器的输出光束品质；其二是实现无运动部件光学变焦。高能激光器工作时的高功率会在谐振腔内产生极高的温度，从而使谐振腔窗口玻璃发生热变形而引入球差及离焦，进而恶化输出光束的品质。变曲率反射镜能够通过改变自身的曲率半径对热透镜效应引起的球差及离焦进行有效补偿，从而达到提升激光器光束品质的目的。传统变焦技术，无论是机械补偿式还是光学补偿式都依赖镜片或镜组之间的相对运动，在一定程度上限制了其在对空间、功耗以及稳定性等方面要求苛刻的领域中的应用。变曲率反射镜的出现为实现无运动部件变焦提供了技术上的可能性，简言之，反射镜曲率的变化对应于光焦度的改变，而局部元件光焦度的微小变化则可以通过光学杠杆效应光学设计被放大为系统焦距的大幅度改变。

反射镜曲率变化的机理根源在于薄板弹性理论。相关文献表明，目前有以下两种能够实现曲率变化的方式。第一，单驱动点直接作用于反射镜中心有限大小的区域上(该区域等效半径远小于反射镜半径)。根据薄板弹性理论，这种驱动方式在全反射镜直径范围之内既不能产生球面变形，也无法产生抛物面变形，且驱动力越大，与曲率变化所要求的理想面形改变相差就越远，因此实际中很少使用。第二，利用推力环与支撑环两环结构，通过环形线接触负载驱动实现曲率的变化。如图1所示，推力环的一端是实体表面，另外一端则是空心的，采用单点驱动直接作用于实体表面一端的中心区域，通过实体表面端和驱动环环壁对驱动力的传导来实现反射镜曲率的变化。根据薄板弹性理论，由于环形线负载驱动在推力环覆盖的区域之内能够实现完美的抛物面面形，所以与单点中心驱动相比实用性更强。

如果说耶路撒冷希伯来大学代表了变曲率反射镜研究的起点，那么美国则成为了当今该领域研究的领跑者。美国Sandia国家实验室正是利用上述环形线负载驱动实现反射镜曲率变化的。之后，中国的多个科研机构都仿效类似的机理进行了原型装置的研制，但是存在共性的几个问题，使得现有的环形线负载驱动设计难以同时兼顾较大的中心形变以及形变过程中的面形精度保持：

1)环形线负载驱动依然属于直接接触式力驱动，必然在反射镜的表面引起应力累积。当反射镜的直径及径厚比较小时，这种应力累积不足以破坏面形精度；而当反射镜的直径及径厚比较大时，反射镜表面应力的累积将对面形精度的保持形成严重的阻碍。

2)在环形线负载驱动模型中，驱动环的半径不是任意选取的。研究表明，过小的驱动环半径会使曲率变化模型逐渐向单点直接接触式驱动模型转变，不利于理想曲率变化所需面形的产生；而过大的驱动环半径则要求驱动环产生更大的驱动力，更大的驱动力会加剧反射镜表面应力的累积，不利于面形精度的保持。因此驱动环的半径应该得到优化。

3)环形线负载模型要求反射镜的边缘处于简支状态(只限制位移，不限制转动)，而最简单的实现简支的方法就是令反射镜与支撑结构之间相互独立，从而允许反射镜沿其与支撑结构的接触位置自由伸缩。然而，这种方式要求反射镜、驱动单元与镜筒的中心轴高度共线，否则当反射镜曲率变化时，反射镜与镜筒之间就会产生间隙，三轴之间的不共线会使反射镜沿与中心轴垂直的平面侧向滑动，从而引入非对称的驱动，进而破坏反射镜的面形精度。此外，如果发生侧向滑动，就意味着反射镜在一些位置处还会受到来自镜筒结构的挤压，会更加恶化反射镜的面形精度。因此，在满足简支近似无约束条件的前提下，应该解决反射镜形变过程中的空间位置稳定性问题。

美国(Appl.Phys.B 82,275–281(2006))，中国(CN201010108376.6)，中国(光学精密工程，18(8)：1781-1787，2010)等采用的都是如图1所展示的单驱动点环形线负载曲率变化结构，无法解决前面所提及的几个问题，同时也没有对环形线负载驱动曲率变化结构(尤其是驱动环的半径)进行优化。

技术实现要素：

为了解决现有的变曲率反射镜装置无法兼顾较大的中心形变以及形变过程中的面形精度保持的技术问题，本发明提供一种新型变曲率反射镜装置，不但能够实现较大的中心形变，而且能够在形变的过程中始终保持较高的面形精度。

本发明的技术解决方案是：一种变曲率反射镜装置，包括反射镜、推力环、驱动器、镜筒和支撑底盘，其特殊之处在于：

所述反射镜、推力环、驱动器及支撑底盘均与镜筒同轴设置；所述反射镜包括反射镜本体、环形支撑壁和环形中空基座，反射镜采用同种材料通过一体化成型加工构成一个整体；所述反射镜本体为中间厚边缘薄的渐变厚度反射镜结构，所述环形支撑壁是位于反射镜本体和环形中空基座之间的圆筒形结构，环形支撑壁的外径与反射镜本体直径相同，环形支撑壁的内径与环形中空基座的内径相同；所述环形中空基座与镜筒一端固定连接；所述推力环的一端为环形中空结构且与反射镜的背部接触，推力环的另一端与驱动器一端相连；驱动器的另一端与支撑底盘相连。

上述反射镜本体的厚度分布方程为：

y＝t₀·exp[-k·(2r/D)^m]

其中，t₀是反射镜本体的中心厚度，r是反射镜本体球面的极坐标半径，D是反射镜本体的直径，k与m是用于控制反射镜本体厚度分布形式的常数。

上述推力环的外径是反射镜本体直径的1/2。

上述驱动器与支撑底盘之间设置有可调的接触间隙，用来实现推力环与反射镜的预紧。

上述反射镜与推力环采用相同的材料制成；所述镜筒以及支撑底盘的材料强度高于反射镜的材料强度。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明中的反射镜采用渐变的厚度分布形式，即中心厚边缘薄，且由中心向边缘逐渐减小。此时，反射镜能够对环形推力产生的不均匀的压应力进行差异化响应，使反射镜工作表面的平均微观变形较小，从而为形变后具有较高的面形精度提供保证。

(2)本发明中的反射镜与支撑结构不再通过相互独立的方式满足简支条件，而是将渐变厚度反射镜的边缘与环形超薄壁结构通过一体化成型加工构成一个整体，极薄的边缘既可以满足简支撑近似无约束的条件，也能够使形变时反射镜本体的空间位置稳定，从而消除了传统环形线负载驱动所存在的由反射镜侧向滑动导致的非对称挤压现象。此外，当反射镜形变时，较为集中的压应力从原先推力环覆盖的区域转移到了与渐变厚度反射镜边缘连接的环形超薄壁上面，从而大大消除了集中应力对反射镜面形精度的破坏，也为形变后的反射镜保持较高的面形精度提供了保证。

附图说明

图1为经典环形线接触负载驱动曲率变化机理的实现形式示意。

图2为本发明较佳实施例的变曲率反射镜装置结构示意图。

图3为本发明较佳实施例反射镜结构示意图。

图4是单晶硅材质反射镜的驱动力大小与驱动半径对应关系图。

图5是K9玻璃材质反射镜的驱动力大小与驱动半径对应关系图。

图6是AISI420不锈钢材质反射镜的驱动力大小与驱动半径对应关系图。

具体实施方式

参见图2，本发明较佳实施例的变曲率反射镜装置由反射镜组件1、推力环2、驱动器3(可以采用压电陶瓷驱动器)、连接驱动器的支撑底盘4以及镜筒5构成。反射镜1、推力环2、驱动器3以及连接驱动器的支撑底盘4均与镜筒5高精度同轴。反射镜1与推力环2材质相同，而镜筒5及支撑底盘4所采用材料的强度高于反射镜材料的强度。

其中，反射镜组件1与镜筒5之间通过螺纹连接；如图3所示，反射镜组件1由渐变厚度超薄反射镜11、环形超薄支撑壁12和环形中空基座13三部分组成，三者通过一体化成型加工构成一个完整的整体。推力环2的一端为环形中空结构且与反射镜组件1的背部接触，另外一端则为中心具有一个螺纹孔的实心底板用于同驱动器3的头部连接。驱动器3的头部与环状推力环2的实心底板的中心通过螺纹连接，而其尾部同样与支撑底盘4通过螺钉连接，与此同时驱动器3与支撑底盘4之间设置有可调的接触间隙，用来实现推力环与反射镜的预紧。镜筒5的头部与反射镜组件1通过螺纹连接的一端具有一个类似垫圈的底板，而底板中央开有一个口径与环状推力环2外径一致的圆孔，用于支撑并引导推力环2的头部与反射镜背部进行接触预紧，以此实现驱动力的传递。

与常规等厚反射镜的结构设计不同，在本发明较佳实施例的结构中，反射镜的厚度不是恒定的，而是中心厚边缘薄且由中心向边缘逐渐减小，对应的厚度分布方程为：

y＝t₀·exp[-k·(2r/D)^m]；

其中，t₀是反射镜的中心厚度，r是反射镜球面的极坐标半径，D是反射镜的直径，k与m是用于控制反射镜厚度分布形式的常数。与此同时，反射镜的边缘不再与支撑结构独立，而是通过环形超薄壁结构与镜筒连接为一个有机的整体，且这个整体是通过一体化成型加工直接获得的，没有任何辅助的连接部件。这种结构设计上的改变直接带来了以下两个显著的好处：

其一，研究表明，传统的环形线负载驱动曲率变化结构会在反射镜表面产生分布非常不均匀的压应力，其中应力主要集中于推力环所覆盖的区域，而等厚的反射镜意味着反射镜各个位置处的刚度恒定，所以自然导致推力环覆盖区域的微观形变要远大于其他区域，从而使面形精度急速退化。渐变的厚度分布则允许反射镜对环形推力所产生的不均匀的压应力进行差异化响应，使反射镜工作表面的平均微观变形较小，从而为形变后具有较高的面形精度提供保证。

其二，反射镜的边缘与环形超薄壁结构通过一体化成型加工构成一个整体，极薄的边缘既可以满足简支撑近似无约束的条件，也能够使形变时反射镜本体的空间位置稳定，从而消除了传统环形线负载驱动所存在的由反射镜侧向滑动导致的非对称挤压现象。典型工况下，本发明提供的环形线负载驱动变曲率反射镜结构形变时的压应力分布情况显示，在推力环直接作用的区域，压应力明显高于其他区域。但是应力最大的区域并不是与推力环直接接触的区域，而是位于环形超薄壁结构上。由此可知，集中应力的转移是反射镜形变时面形精度依然保持较高水平的本质原因。

渐变厚度反射镜结构设计以及反射镜边缘与环形超薄壁结构的一体化连接可以起到转移集中应力的作用，推力环作用于反射镜的区域依然具有显著的应力，且压应力的大小与驱动力的大小直接相关，因此在实现可比拟中心形变的前提下，适当降低所需驱动力对保持面形精度有着积极的意义，而根据薄板弹性理论，所需驱动力大小与推力环外径之间存在非线性的关系。以产生特定的中心形变为约束条件，可以获得不同反射镜镜面材料对应的所需驱动力与推力环外径之间的数值关系。如图4-6所示，三种不同的反射镜材料分别为K9玻璃(E＝88GPa，v＝0.215)、单晶硅(E＝160GPa，ν＝0.23)以及AISI420不锈钢(E＝215GPa，v＝0.305)，另外反射镜的有效直径及厚度分别是88mm和3mm。假定所需中心形变分别等于3um，5um，10um，15um以及20um。从图4-6中的曲线对比可以看出，无论是哪种反射镜材料，当推力环外径超过1/2反射镜有效直径之后，形变所需要的驱动力都将急剧增加，而当推力外径小于1/2反射镜直径时，达到相同中心形变所需的驱动力并没有太大变化。当所期望的形变量增大时，这种临界效应就变得更加显著。对于单晶硅反射镜来说，若以中心形变量20um为例，当推力环外径从8.8mm增加到22mm时，总驱动力W的大小从70N增加到100N左右，仅仅改变了30N，而从22mm增加到35.2mm时，总驱动力W的大小从100N增加到了260N左右，改变了近160N。虽然推力环外径越小，所需的驱动力就越小，但是由于过小的推力环外径不利于产生理想的曲率变化，因此有理由认为：当推力环外径取为反射镜直径1/2的数值时，就可以较小的驱动力实现较大的中心形变。通过对其他材料反射镜，如不锈钢反射镜以及K9玻璃反射镜进行类似的分析以后，本发明认为，推力环外径最佳的取值应该为反射镜直径的一半。此时，不但能够以较小的驱动力实现较大的中心形变，而这对于降低反射镜表面应力的累积以及形变后的面形保持都是有益的。