基於壓電驅動器的變形次鏡的製作方法

2023-07-16 10:31:26 2

專利名稱：基於壓電驅動器的變形次鏡的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於壓電驅動器的變形次鏡，屬於自適應光學波前校正器技術領 域。
背景技術：
變形鏡是自適應光學系統的核心器件之一，其主要作用是生成系統所需的受控面 型，以校正畸變波前。圖1.為經典的分立式連續表面變形鏡，這類變形鏡由平面反射鏡面 1、驅動器2及剛性底座3粘接而成，具有結構緊湊、剛度高、穩定性好的優勢。但是這類變 形鏡採用平面反射鏡作為鏡面，在望遠鏡系統中應用時需要大量輔助光學器件，以滿足變 形鏡使用條件。輔助光學器件的存在使得望遠鏡系統結構複雜，光能利用率降低。將望遠 鏡次鏡作為波前校正器是目前自適應光學望遠鏡研製過程中降低系統複雜程度，提高光能 利用率，充分利用大口徑望遠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於音圈電機驅動器的變形鏡， 該變形鏡採用音圈電機驅動鏡面，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。基於上述原理，T. K. Barrett等針對6. 5m MMT望遠鏡提出了採用音圈電機 驅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))。由於變形次鏡位於主鏡正上方，其發熱引起的大氣湍流對 望遠鏡成像質量有很大影響。設計者通過選用中心支撐超薄鏡面，以降低鏡面剛度，減小 驅動力要求，進而減少驅動器發熱量，以及增加主動冷卻措施等方法降低變形次鏡熱輻射。 基於上述方法構造的變形次鏡結構複雜、質量大、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等提出一種基於磁致伸縮驅動器的變形次鏡 方案，並製造了小尺寸樣鏡(「Adaptive Secondary MirrorDevelopments at UCLSPIE Vol. 4007 532-536 (2000) ) 0這類變形次鏡雖行程較大，但其中採用的磁致伸縮驅動器驅動 電流大，未見實際應用報導。

發明內容
本發明要解決的技術問題是克服現有技術不足；提供一種結構緊湊、剛度高、穩 定性好、使用方便的變形次鏡。本發明解決上述技術問題採用的技術方案是一種基於壓電驅動器的變形次鏡， 包含有鏡面、驅動器、剛性底座。其特徵在於鏡面、驅動器、剛性底座粘接為整體；鏡面為 球殼結構，正面為非球面同時作為變形鏡鏡面與望遠鏡次鏡，背面為球面，下表面有與鏡面 為一體式結構的極頭，以增大粘接面與鏡面距離，減小粘接過程導致的局部變形；驅動器兩 端分別粘接匹配接頭，保證驅動器與鏡面背面極頭底面、底座頂面緊密接觸，保證驅動器指 向，減少粘接過程導致的局部變形；剛性底座頂面為球面，保證驅動器支撐條件，並在保證 剛度的前提下實現輕量化；所述的壓電驅動器為層疊式壓電驅動器，驅動器兩端與鏡面背 面、底座頂面粘接面均為球面。
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本發明與現有技術相比具有如下優點(1)本發明所述變形次鏡局部變形小。本發明中採用了與分立式連續表面變形鏡 類似的極頭與鏡面一體式結構，增大了驅動器粘接面與鏡面之間距離，有效地降低了粘接 面導致的局部變形。(2)本發明所述變形次鏡發熱量小。本發明中採用了壓電驅動器，發熱量小，不存 在現有方案中音圈電機、磁致伸縮驅動器的發熱問題。(3)本發明所述變形次鏡諧振頻率高。本發明中採用了剛度為200 300Ν/μπι的 高剛度壓電驅動器，鏡面通過高剛度驅動器與剛性底座相連，鏡面機械諧振頻率在1000Hz 以上。(4)本發明所述變形次鏡可靠性高。本發明採用了無發熱、高剛度的壓電驅動器作 為鏡面驅動機構，高剛度底座作為支撐機構的高穩定性結構，免去了現有方案存在的發熱 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計，結構簡單，可靠性高。(5)本發明所述變形次鏡質量小。本發明所述變形次鏡源自分立式連續表面變形 鏡，結構緊湊，且底座在保證剛度的前提下輕量化，總質量小。


圖1分立式連續表面變形鏡結構示意2本發明變形次鏡結構示意3本發明變形次鏡鏡面結構示意4本發明變形次鏡中壓電驅動器結構示意5本發明變形次鏡中層疊式壓電驅動器結構示意中1為鏡面、2為驅動器、3為底座、4為鏡面極頭、5為壓電驅動器與鏡面接頭、 6為層疊式壓電驅動器、7為壓電驅動器與底座頂面接頭、8、9為層疊式壓電驅動器中相鄰 兩片壓電片、10、11分別為層疊式壓電驅動器正負驅動電極
具體實施例方式如圖2.所示，本發明的鏡面1、壓電驅動器2及剛性底座3粘接，構成一個以剛性 底座3為支撐、壓電驅動器2為驅動機構、鏡面1為反射面的壓電變形次鏡。如圖3.所示，鏡面1為球殼結構，其上表面為非球面，同時作為變形鏡鏡面與望遠 鏡次鏡及變形鏡鏡面，下表面為球面，極頭4與鏡面1為一體式結構，可增加粘接面到鏡面 距離，減小粘接過程引入導致的局部變形殘差。鏡面1材料可根據實際要求選擇玻璃、鈹、 矽、鋁等可作為反射鏡的材料。如圖4所示，驅動器2為層疊式壓電驅動器，其兩端分別粘接匹配接頭5、7，保證驅 動器與鏡面極頭4下表面及底座3上表面緊密接觸，保證驅動器指向鏡面法線方向，減小粘 接過程導致的局部變形。壓電驅動器2中層疊式驅動器6結構原理見圖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，並且在相鄰的壓電片界面分別安置驅動正負 電極10、11，從而構成一個機械結構上串聯，電器結構並聯的驅動器。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係數相當的金屬或非金屬材料，可在保證剛度的前提下進行輕量化設計以降低次鏡的總質量。基於上述結構，本發明實施例設計了一個以矽為鏡面、層疊式壓電驅動器為驅動 機構、碳化矽輕量化結構為底座，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、驅動單元數為73單元、總質量約為7. 3kg。由上述分析可知，本發明所述的變形次鏡源於分立式連續表面變形鏡，具有結構 緊湊、剛度高、穩定性好、可靠性高、質量小的特點。基於本發明所述結構研製的變形次鏡總 質量與望遠鏡系統現有次鏡相當，可在不改變現有系統的前提下，裝備新型自適應系統，降 低新系統實現難度。
權利要求
一種基於壓電驅動器的變形次鏡，包含有鏡面(1)、驅動器(2)、剛性底座(3)，所述鏡面(1)與驅動器(2)和剛性底座(3)粘接為整體，其特徵在於所述鏡面(1)為球殼結構，其正面為非球面，同時作為變形鏡鏡面與望遠鏡次鏡，其背面為球面，所述的鏡面(1)的背面有用於與驅動器(2)粘接的極頭(4)；極頭(4)與鏡面(1)為一體式結構，指向鏡面(1)背面法線方向；所述壓電驅動器(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.根據權利要求1所述的基於壓電驅動器的變形次鏡，其特徵在於所述壓電驅動器(2)為層疊式壓電驅動器。
全文摘要
基於壓電驅動器的變形次鏡包含鏡面、驅動器、剛性底座，鏡面、驅動器、剛性底座粘接為整體；鏡面為球殼結構，正面為非球面同時作為變形鏡鏡面與望遠鏡次鏡，背面為球面，下表面有與鏡面為一體式結構的極頭，以增大粘接面與鏡面距離，減小粘接過程導致的局部變形；驅動器兩端分別粘接匹配接頭，保證驅動器與鏡面背面極頭底面、底座頂面緊密接觸，保證驅動器指向，減少粘接過程導致的局部變形；剛性底座頂面為球面，保證驅動器支撐條件，並在保證剛度的前提下實現輕量化。本發明中所述變形次鏡鏡面、驅動器、剛性底座粘接為整體，與現有的變形次鏡相比具有結構緊湊、剛度高、穩定性好、可靠性高、質量小的特點，適用於需要較少驅動單元數變形次鏡的應用領域。
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 優先權日2010年8月4日
發明者萬勇建, 葉清秀, 官春林, 方敬忠, 樊新龍, 饒長輝 申請人:中國科學院光電技術研究所