CN101923214A - 基于压电驱动器的变形次镜 - Google Patents
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Abstract
基于压电驱动器的变形次镜包含镜面、驱动器、刚性底座，镜面、驱动器、刚性底座粘接为整体；镜面为球壳结构，正面为非球面同时作为变形镜镜面与望远镜次镜，背面为球面，下表面有与镜面为一体式结构的极头，以增大粘接面与镜面距离，减小粘接过程导致的局部变形；驱动器两端分别粘接匹配接头，保证驱动器与镜面背面极头底面、底座顶面紧密接触，保证驱动器指向，减少粘接过程导致的局部变形；刚性底座顶面为球面，保证驱动器支撑条件，并在保证刚度的前提下实现轻量化。本发明中所述变形次镜镜面、驱动器、刚性底座粘接为整体，与现有的变形次镜相比具有结构紧凑、刚度高、稳定性好、可靠性高、质量小的特点，适用于需要较少驱动单元数变形次镜的应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于压电驱动器的变形次镜，属于自适应光学波前校正器技术领域。
背景技术
变形镜是自适应光学***的核心器件之一，其主要作用是生成***所需的受控面型，以校正畸变波前。图1.为经典的分立式连续表面变形镜，这类变形镜由平面反射镜面1、驱动器2及刚性底座3粘接而成，具有结构紧凑、刚度高、稳定性好的优势。但是这类变形镜采用平面反射镜作为镜面，在望远镜***中应用时需要大量辅助光学器件，以满足变形镜使用条件。辅助光学器件的存在使得望远镜***结构复杂，光能利用率降低。将望远镜次镜作为波前校正器是目前自适应光学望远镜研制过程中降低***复杂程度，提高光能利用率，充分利用大口径望远镜集光能力的有效方法。
专利号为US6293680 B1的美国专利公开了一种基于音圈电机驱动器的变形镜，该变形镜采用音圈电机驱动镜面，使用电容传感器实时测量镜面变形量，以保证镜面面型控制精度。基于上述原理，T.K.Barrett等针对6.5m MMT望远镜提出了采用音圈电机驱动玻璃镜面的变形次镜方案(“Adaptive Secondary Mirror for the 6.5-m MMT”，SPIEvol.3353754-763(1998))。由于变形次镜位于主镜正上方，其发热引起的大气湍流对望远镜成像质量有很大影响。设计者通过选用中心支撑超薄镜面，以降低镜面刚度，减小驱动力要求，进而减少驱动器发热量，以及增加主动冷却措施等方法降低变形次镜热辐射。基于上述方法构造的变形次镜结构复杂、质量大、镜面谐振频率低(约为50Hz)、辅助装置多，使用可靠性受限，且成本较高。A.P.Doel等提出一种基于磁致伸缩驱动器的变形次镜方案，并制造了小尺寸样镜(“Adaptive Secondary MirrorDevelopments at UCL”，SPIE Vol.4007 532-536(2000))。这类变形次镜虽行程较大，但其中采用的磁致伸缩驱动器驱动电流大，未见实际应用报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术不足；提供一种结构紧凑、刚度高、稳定性好、使用方便的变形次镜。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种基于压电驱动器的变形次镜，包含有：镜面、驱动器、刚性底座。其特征在于：镜面、驱动器、刚性底座粘接为整体；镜面为球壳结构，正面为非球面同时作为变形镜镜面与望远镜次镜，背面为球面，下表面有与镜面为一体式结构的极头，以增大粘接面与镜面距离，减小粘接过程导致的局部变形；驱动器两端分别粘接匹配接头，保证驱动器与镜面背面极头底面、底座顶面紧密接触，保证驱动器指向，减少粘接过程导致的局部变形；刚性底座顶面为球面，保证驱动器支撑条件，并在保证刚度的前提下实现轻量化；所述的压电驱动器为层叠式压电驱动器，驱动器两端与镜面背面、底座顶面粘接面均为球面。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明所述变形次镜局部变形小。本发明中采用了与分立式连续表面变形镜类似的极头与镜面一体式结构，增大了驱动器粘接面与镜面之间距离，有效地降低了粘接面导致的局部变形。
(2)本发明所述变形次镜发热量小。本发明中采用了压电驱动器，发热量小，不存在现有方案中音圈电机、磁致伸缩驱动器的发热问题。
(3)本发明所述变形次镜谐振频率高。本发明中采用了刚度为200～300N/μm的高刚度压电驱动器，镜面通过高刚度驱动器与刚性底座相连，镜面机械谐振频率在1000Hz以上。
(4)本发明所述变形次镜可靠性高。本发明采用了无发热、高刚度的压电驱动器作为镜面驱动机构，高刚度底座作为支撑机构的高稳定性结构，免去了现有方案存在的发热量大、镜面谐振频率低等问题，无需额外的散热装置及消谐振设计，结构简单，可靠性高。
(5)本发明所述变形次镜质量小。本发明所述变形次镜源自分立式连续表面变形镜，结构紧凑，且底座在保证刚度的前提下轻量化，总质量小。
附图说明
图1分立式连续表面变形镜结构示意图
图2本发明变形次镜结构示意图
图3本发明变形次镜镜面结构示意图
图4本发明变形次镜中压电驱动器结构示意图
图5本发明变形次镜中层叠式压电驱动器结构示意图
图中：1为镜面、2为驱动器、3为底座、4为镜面极头、5为压电驱动器与镜面接头、6为层叠式压电驱动器、7为压电驱动器与底座顶面接头、8、9为层叠式压电驱动器中相邻两片压电片、10、11分别为层叠式压电驱动器正负驱动电极
具体实施方式
如图2.所示，本发明的镜面1、压电驱动器2及刚性底座3粘接，构成一个以刚性底座3为支撑、压电驱动器2为驱动机构、镜面1为反射面的压电变形次镜。
如图3.所示，镜面1为球壳结构，其上表面为非球面，同时作为变形镜镜面与望远镜次镜及变形镜镜面，下表面为球面，极头4与镜面1为一体式结构，可增加粘接面到镜面距离，减小粘接过程引入导致的局部变形残差。镜面1材料可根据实际要求选择玻璃、铍、硅、铝等可作为反射镜的材料。
如图4所示，驱动器2为层叠式压电驱动器，其两端分别粘接匹配接头5、7，保证驱动器与镜面极头4下表面及底座3上表面紧密接触，保证驱动器指向镜面法线方向，减小粘接过程导致的局部变形。压电驱动器2中层叠式驱动器6结构原理见图5.，其中相邻压电片8、9按照极化方向P相反的方向排列、粘接，并且在相邻的压电片界面分别安置驱动正负电极10、11，从而构成一个机械结构上串联，电器结构并联的驱动器。
刚性底座3为整个变形次镜的支撑件，其主要作用是提供足够的刚度，作为镜面变形参考，可选用与镜面材料热膨胀系数相当的金属或非金属材料，可在保证刚度的前提下进行轻量化设计以降低次镜的总质量。
基于上述结构，本发明实施例设计了一个以硅为镜面、层叠式压电驱动器为驱动机构、碳化硅轻量化结构为底座，整体粘接而成的压电变形次镜。该变形次镜口径Φ350mm、极间距38mm、行程±6μm、驱动单元数为73单元、总质量约为7.3kg。
由上述分析可知，本发明所述的变形次镜源于分立式连续表面变形镜，具有结构紧凑、刚度高、稳定性好、可靠性高、质量小的特点。基于本发明所述结构研制的变形次镜总质量与望远镜***现有次镜相当，可在不改变现有***的前提下，装备新型自适应***，降低新***实现难度。
Claims (2)
1.一种基于压电驱动器的变形次镜，包含有镜面(1)、驱动器(2)、刚性底座(3)，所述镜面(1)与驱动器(2)和刚性底座(3)粘接为整体，其特征在于：所述镜面(1)为球壳结构，其正面为非球面，同时作为变形镜镜面与望远镜次镜，其背面为球面，所述的镜面(1)的背面有用于与驱动器(2)粘接的极头(4)；极头(4)与镜面(1)为一体式结构，指向镜面(1)背面法线方向；所述压电驱动器(2)的两端分别粘接第一匹配接头(5)和第二匹配接头(7)，第一匹配接头(5)与镜面(1)背面极头(4)的粘接面为球面，第二匹配接头(7)与刚性底座(3)顶面的粘接面为球面；所述刚性底座(3)顶面为球面。
2.根据权利要求1所述的基于压电驱动器的变形次镜，其特征在于：所述压电驱动器(2)为层叠式压电驱动器。
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