一种带有变形补偿的变形镜单元及分立式变形镜系统

摘要

本发明公开了一种带有变形补偿的变形镜单元及变形镜系统.本发明一种带有变形补偿的变形镜单元，包括单变形镜片、极头、驱动器和基座。多个驱动器均安装在基座。驱动器能够自动伸缩；各驱动器的外端均固定有极头；极头的外端端面上开设有多个盲孔。单变形镜片的背面与各个极头的外端固定。单变形镜片上设置有多个通孔。通孔的孔径为1～100nm。本发明通过在单变形镜片上开设纳米级通孔，由于通孔的直径小于变形镜的单元间隙，故通孔提高散热性能的同时对变形镜的性能几乎无影响。本发明通过设置多层且十字型流道与圆形流道相结合的散热流道，能够充分降低单变形镜片的温度。

说明书

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种自适应光学系统中变形镜热形变的实时控制装置。

背景技术

大气湍流运动中温度的变化造成大气密度的微小变化，从而引起折射率微小变化。折射率随机的变化产生大尺度范围内大气折射率分布明显的不均匀性，导致光束在大气传输过程中波前将发生变化，降低光束质量，并造成图像降质。

自适应光学系统可有效解决光束波前畸变带来的像差补偿问题，其原理采用的是闭环控制系统原理，整个光学系统包括微机电变形镜、高压驱动器、哈特曼波前传感器、计算机控制平台和分光镜等光学元件。其中，波前探测器负责实时探测和解算出光学波前畸变量；波前控制器根据探测到的光学波前计算控制量并施加给波前校正器；波前校正器在控制量的驱动下产生相应的位相调制量，利用镜片背面的驱动元件使变形镜面按照需求发生形变，从而实现对光学畸变波前的实时补偿和校正，解决由大气湍流带来的光束波前畸变的问题。

但在大口径小视场高精度望远镜中，尤其是对于接收成像光带有能量的望远镜，比如：太阳望远镜、红外望远镜等，其光学镜面面型控制精度要求极高。光束质量对变形镜形变的影响是其成像质量的重要衡量指标。这就要求引入自适应光学系统对畸变波前进行实时补偿。但是在对畸变波前进行校正时，带有能量的光束照射在变形镜表面时，部分能量被吸收，将引起镜面温度升高，并形成热致光学畸变。由于热畸变导致变形镜温度、应力、变形的无规则分布，较普通反射镜更薄的变形镜因其复杂的结构特性，通常产生无规律的复杂性热形变分布情况。

故本发明专利设计了一套解决自适应光学系统中变形镜热畸变问题的制冷机构。在该系统中，变形镜采用分立式变形镜。分立式变形镜是由多个子镜面组合而成，每个子镜面可以实现上下平动或倾斜运动，通过控制子镜面的面型来构建整体镜面面型。各个子镜面处于分立状态，因而在工作时不会形成串扰，控制较为简单。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自适应光学系统中变形镜热形变的控制装置。

本发明一种带有变形补偿的变形镜单元，包括子镜、极头、驱动器和基座。多个驱动器均安装在基座。驱动器能够自动伸缩；各驱动器的外端均固定有极头；极头的外端端面上开设有多个盲孔。子镜的背面与各个极头的外端固定。子镜上设置有多个通孔。通孔的孔径为1～100nm。

作为优选，所述的子镜内设置有一层或多层散热流道。所述的散热流道包括十字型流道部分和圆形流道部分。十字型流道部分设置在圆形流道部分的内侧，且四个通流口均与圆形流道部分的内侧连通。散热流道的进流口、出流口分别位于子镜的两侧边缘。散热流道的进流口、出流口与十字型流道部分的其中两个通流口分别对接。

作为优选，所述的驱动器共有是三个；三个驱动器呈正三角形排布。

作为优选，所述的驱动器采用层叠式压电陶瓷。

作为优选，所述盲孔的孔径为1～100nm；极头外端端面上的孔隙率为50％。

作为优选，所述子镜的背面安装有一个或多个微位移传感器。

作为优选，所述的微位移传感器采用MEMS电容式静电微位移传感器。

作为优选，所述的子镜和极头均采用的是单晶硅材料。

作为优选，所述子镜上的孔隙率为30％。

本发明一种分立式变形镜系统，包括阵列状排布的多个变形镜单元。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明通过在子镜上开设纳米级通孔，由于通孔的直径小于分立式变形镜的单元间隙，故通孔提高散热性能的同时对变形镜的性能几乎无影响。

2、本发明通过设置多层且十字型流道与圆形流道相结合的散热流道，能够充分降低子镜的温度。

3、本发明通过在子镜的背面安装微位移传感器的方式，实现子镜变形量的实时监测反馈，实现自适应光学系统的实时调节，进而使输出的信号更加精确。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的子镜表面通孔的结构示意图；

图3为本发明中极头外端的盲孔的结构示意图；

图4为本发明中散热流道的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、2和3所示，一种带有变形补偿的变形镜单元，包括子镜1、极头2、驱动器 3和基座4。基座4主要起到对装置的支撑作用，其主体采用轻质材料铝合金材料，以减轻结构的重量。呈正三角形排布的三个驱动器3安装在基座4上。驱动器3的长度能够自动伸缩；本实施例中，驱动器3采用层叠式压电陶瓷，具有响应速度快、分辨力高、技术成熟等特点。

各驱动器3的外端均固定有极头2；极头2的外端端面上开设有多个盲孔5。子镜1的背面与三个极头2的外端固定。极头2上的盲孔5能够减小极头与子镜1的接触面积，从而减小子镜1与极头2之间的热量传递。正三角形排列的极头2对子镜1的作用力较为均匀。盲孔5的孔径为1～100nm；极头2外端端面上的孔隙率为50％。

子镜1的背面安装有一个或多个微位移传感器7。微位移传感器7采用MEMS电容式静电微位移传感器，能够检测子镜1的变形情况，从而与驱动器3配合实现对子镜1的负反馈调节，从而补偿子镜1的热变形。通过驱动器3的伸缩运动，能够实现对子镜1的变形校正控制。驱动器的运动能够实现每一个子镜的平移运动，驱动器间距按单元数确定。在本发明中经过对变形镜尺寸分析确定单元数为915。子镜的各驱动点的变形量为±3.5μ m。其中支撑薄子镜的最外圈压电陶瓷驱动器尽可能靠近镜片边缘，这样可以对薄子镜边缘实现主动校正控制以保证通光口径不会太小。

子镜1和极头2均采用的是单晶硅材料；组成阵列的多个子镜1相互配合，形成分立式变形镜系统；单个子镜1为边长300mm的正方形。相邻两个子镜1的间隙为毫米级，因为这个量级一方面容易实现拼接子镜，另一方面对光束的影响不是很大。子镜1上设置有多个通孔6。通孔6的孔径为1～100nm；子镜1上的孔隙率为30％；此时通孔6对光束影响可以忽略。通孔6能够显著增大子镜1的表面积，从而提高子镜1的散热性能，减小热畸变。本发明的通孔开在远离极头的位置，由于极头处受到限制故不会有过大变形。

如图4所示，子镜1内设置有散热流道10。散热流道10包括十字型流道部分和圆形流道部分。十字型流道部分设置在圆形流道部分的内侧，且四个通流口均与圆形流道部分的内侧连通。散热流道10的进流口8、出流口9分别位于子镜1的两侧边缘。散热流道10 的进流口8、出流口9与十字型流道部分的其中两个通流口分别对接。

在自适应光学系统中，由于热形变的存在会使变形镜在对畸变波前进行校正时产生新的畸变，严重影响了光束的质量。所以需要对变形镜整体进行热形变控制。本发明主要从以下几个方面对子镜1的热形变进行实时控制。

首先，由于变形镜为分立式结构，其每个子镜由多个极头支撑，在远离极头位置镜面热变形程度较大，故对变形镜的子镜进行开通孔6的设计，通过开通孔6可有效减小相应位置热变形程度。考虑到对子镜开孔会对光束质量产生一定影响，当采用压电驱动方式时，由于单元数以及口径的大小不同，单元间隙在1.8mm-33mm之间，当开孔的孔径小于此范围时，镜面开孔对光束质量产生的影响远小于单元间隙对光束质量的影响，故当开孔孔径为纳米级时对光束影响较小，其孔隙率为30％。并且孔径远小于子镜间隙，这样也能保证在子镜开通孔6对光束的影响程度远小于热畸变带来的影响。开通孔6的位置要远离极头2，因为远离极头的位置子镜受热变形的程度较大。通过对子镜开通孔6，可以有效地对子镜1进行一定程度的散热。子镜表面通孔结构放大示意图如图2所示。

其次，为了对子镜边缘以及内部进行散热，设计了多层的散热流道10，其结构示意图如图4所示。经过对子镜需要控制的热量分析，确定散热流道10的流道宽度为10mm，环形槽道最外圈直径为270mm。

子镜1上设置有多个通孔6。通孔6的孔径为1～100nm；子镜1上的孔隙率为30％；此时通孔6对光束影响可以忽略。通孔6能够显著增大子镜1的表面积，从而提高子镜1 的散热性能，减小热畸变。子镜1内设置有散热流道10。散热流道10包括十字型流道部分和圆形流道部分。十字型流道部分设置在圆形流道部分的内侧，且四个通流口均与圆形流道部分的内侧连通。散热流道10的进流口8、出流口9分别位于子镜1的两侧边缘。散热流道10的进流口8、出流口9与十字型流道部分的其中两个通流口分别对接。通过向散热流道10内通水来进一步控制子镜1的温度。

除了在子镜表面开通孔6和微槽道10对子镜1进行散热外，为了防止极头2的热量大量传导到子镜1上，就需要对极头2靠近子镜1部分进行隔热处理。所以采用对极头2靠近子镜1的地方进行开盲孔5的设计，考虑到极头尺寸以及支撑强度，经过仿真确定盲孔 5的孔径为纳米级时即可满足要求，其孔隙率为50％。其排列方式为上下交错排列，上下开两层。通过交错排列既能保证极头2的支撑强度，又使极头整体的热量有效隔离。极头内部闭孔结构示意图如图3 所示。

最后，考虑到对变形镜形变的控制要实现高精度的实时控制，因此在子镜1底部远离极头的位置加装MEMS电容式静电微位移传感器的测头7。该传感器具有较大的纵向测量范围和较高的灵敏度，可以实现对变形镜形变量高精度的实时监测反馈，进而实现对变形镜的自适应调节。

综上分析之后得出，采用以上装置即可对自适应光学系统中变形镜的热形变进行有效的实时控制。

本发明的工作原理如下：

各微位移传感器7检测子镜1的热畸变情况；各驱动器根据热畸变情况进行伸缩，来补偿子镜1的热畸变。

实施例2

一种分立式变形镜系统，包括阵列状排布的变形镜单元；通过对各变形镜单元的独立控制来实现对外来光束的矫正还原。