CN111983799B - 一种掠入式光学元件面形校正装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种掠入式光学元件面形校正装置及方法，掠入式光学元件面形校正装置包括至少两组力矩施加组件，力矩施加组件包括固定结构以及驱动结构；固定结构用于接触或夹紧掠入式主镜边缘，将驱动结构所传递的力施加于掠入式主镜并在掠入式主镜产生力矩，使掠入式主镜的面形发生改变；所有力矩施加组件向掠入式主镜所施加力的合力为零。本发明所提供的掠入式光学元件面形校正装置结构简单，并且在使用的过程中所有力矩施加组件向掠入式主镜所施加力的合力为零，不会影响掠入式主镜原来的固定位置，保证了变量的单一性，方便调整和控制；另外，在对掠入式主镜进行面形矫正的过程中，不需要将掠入式主镜进行拆卸，方便易操作。

Description

一种掠入式光学元件面形校正装置及方法

技术领域

本发明涉及光学元件校正技术领域，更具体地说，涉及一种掠入式光学元件面形校正装置。此外，本发明还涉及一种应用于上述掠入式光学元件面形校正装置的方法。

背景技术

在成本可以接受的范围内，对波前质量更好的控制，可以更好的完成初设的科学目标。在考虑了加工工艺、环境适应性以及装调工艺影响等因素的情况下，***本身的精度保持能力越来越难以满足未来精密光学设备对成像质量的要求。以光刻机为例，为了达到衍射极限，***自身的光学误差需要接近于可忽略不计，这项要求，仅仅依靠***加工与装调几乎不可达到，因此，需要使用光程补偿元件，使***达到衍射极限。

力矩施加结构来源于光学镜面加工领域中的应力抛光技术，是一种通过主动施加力矩，改变结构零矩点，进而周期性校正低阶面形误差的主动光学手段，主要用来校正主镜加工残余误差、温度载荷和重力载荷所引起的面形误差等。

掠入式光学***多运用于软X射线望远镜之中，其工作在0.6～6nm的软X射线波段。由于在这个波段范围几乎所有介质的折射率都接近于1，同时具有极强的穿透能力，所以X射线光学***多采用掠入射式；掠入式***多采用离轴二次曲面，将入射光线入射至其焦点。

现有技术中的掠入式望远镜的主镜尺寸较小，在其面形不符合要求的情况下，多通过替换的方式进行矫正，但是随着望远镜口径的增大，现有替换的方式已经不再实用。

综上所述，如何对口径较大的主镜进行面形矫正，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种掠入式光学元件面形校正装置，在使用的过程中，可以通过驱动结构驱动，并将力通过固定结构施加于掠入式主镜，以使掠入式主镜发生面形的改变，实现面形矫正；由于所有力矩施加组件向掠入式主镜所施加力的合力为零，因此掠入式光学元件面形校正装置在对掠入式主镜进行面形矫正的过程中，并不会影响原来掠入式主镜的位置，保证了变量的单一性，方便控制和调整。

本发明的另一目的是提供一种应用于上述掠入式光学元件面形校正装置的方法。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种掠入式光学元件面形校正装置，包括至少两组力矩施加组件，所述力矩施加组件包括固定结构以及用于提供驱动力的驱动结构；所述固定结构用于接触或夹紧掠入式主镜边缘，将所述驱动结构所传递的力施加于所述掠入式主镜并在所述掠入式主镜产生力矩，使所述掠入式主镜的面形发生改变；

所有所述力矩施加组件向所述掠入式主镜所施加力的合力为零。

优选的，所述固定结构包括铰接设置的第一连杆和第二连杆，所述第一连杆和所述第二连杆的端部均设置有用于与所述掠入式主镜接触的软垫结构，所述掠入式主镜夹设于两个所述软垫结构之间；

所述第一连杆和所述第二连杆中的至少一者与所述驱动结构连接，所述驱动结构可驱动所述第一连杆相对于所述第二连杆转动。

优选的，所述第一连杆和所述第二连杆的铰接处位于非端部位置，且所述铰接处距离所述第一连杆安装有所述软垫结构的一端的距离等于所述铰接处距离所述第二连杆安装有所述软垫结构的一端的距离。

优选的，所述软垫结构为O形圈。

优选的，所述固定结构包括用于与所述掠入式主镜的翻折边缘贴合设置的传力结构以及与所述传力结构连接的传动组件，所述传动组件与所述驱动结构连接；

所述传力结构施力于所述翻折边缘，且所述传力结构施加于所述翻折边缘的力始终与所述翻折边缘垂直。

优选的，所述传力结构为平行四边形结构。

优选的，所述平行四边形结构与所述传动组件之间设置有柔性铰链。

优选的，所述传动组件为螺母丝杠结构。

优选的，设置有多组所述力矩施加组件，且所述力矩施加组件沿所述掠入式主镜的边缘均匀分布。

一种掠入式光学元件面形校正方法，应用于上述任一项所述的掠入式光学元件面形校正装置，包括：

计算执行元件所需的移动距离；

控制驱动结构按照所述移动距离动作，并带动固定结构动作，以使掠入式主镜发生面形改变。

在使用本发明所提供的掠入式光学元件面形校正装置的过程中，当需要对掠入式主镜进行面形矫正时，首先需要将掠入式光学元件面形校正装置安装于掠入式主镜，并使固定结构接触或夹紧掠入式主镜的边缘处；通过驱动结构提供外力，并通过固定结构将驱动结构提供的力施加于掠入式主镜，并在掠入式主镜产生力矩，使掠入式主镜的面形发生改变，以实现对掠入式主镜进行面形矫正的效果。

相比于现有技术，本发明所提供的掠入式光学元件面形校正装置结构简单，并且在使用的过程中所有力矩施加组件向掠入式主镜所施加力的合力为零，不会对原有的掠入式主镜的固定结构产生作用力，因此不会影响掠入式主镜原来的固定位置，保证了变量的单一性，方便调整和控制；另外，在对掠入式主镜进行面形矫正的过程中，不需要将掠入式主镜进行拆卸，方便易操作。

此外，本发明还提供了一种应用于上述掠入式光学元件面形校正装置的方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的掠入式光学元件面形校正装置安装于掠入式主镜的具体实施例的结构示意图；

图2为本发明所提供的掠入式光学元件面形校正装置中固定结构的具体实施例一的结构示意图；

图3为本发明所提供的掠入式光学元件面形校正装置中固定结构的具体实施例二的结构示意图。

图1-3中：

1为力矩施加组件、2为第一连杆、3为第二连杆、4为O形圈、5为掠入式主镜、6为翻折边、7为平行四边形结构、8为柔性铰链、9为螺母丝杠结构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种掠入式光学元件面形校正装置，在对掠入式主镜进行面形矫正的过程中，并不会影响原来掠入式主镜的位置，保证了变量的单一性，方便控制和调整。本发明的另一核心是提供一种应用于上述掠入式光学元件面形校正装置的方法。

请参考图1-3，图1为本发明所提供的掠入式光学元件面形校正装置安装于掠入式主镜的具体实施例的结构示意图；图2为本发明所提供的掠入式光学元件面形校正装置中固定结构的具体实施例一的结构示意图；图3为本发明所提供的掠入式光学元件面形校正装置中固定结构的具体实施例二的结构示意图。

本具体实施例提供的掠入式光学元件面形校正装置包括至少两组力矩施加组件1，力矩施加组件1包括固定结构以及用于提供驱动力的驱动结构；固定结构用于接触或夹紧掠入式主镜5边缘，并将驱动结构所传递的力施加于掠入式主镜5并在掠入式主镜5产生力矩，使掠入式主镜5的面形发生改变；所有力矩施加组件1向掠入式主镜5所施加力的合力为零。

需要进行说明的是，在使用的过程中，由于力矩施加组件1结构的不同，有的需要在掠入式主镜5的边缘设置相关施力部件，有的不需要设置，具体根据实际情况确定，在此不做赘述。

在使用本具体实施例所提供的掠入式光学元件面形校正装置的过程中，当需要对掠入式主镜5进行面形矫正时，首先需要将掠入式光学元件面形校正装置安装于掠入式主镜5，并使固定结构接触或夹紧掠入式主镜5的边缘处；此时力矩施加组件1固定设置，方便其对掠入式主镜5施加力矩；通过驱动结构提供外力，并通过固定结构将驱动结构提供的力施加于掠入式主镜5，并在掠入式主镜5产生力矩，使掠入式主镜5的面形发生改变，以实现对掠入式主镜5进行面形矫正的效果。

需要进行说明的是，在设置的过程中需要保证力矩施加组件1的安装位置以及施力位置和方向能够对掠入式主镜5产生力矩，并使掠入式主镜5在力矩的作用下发生形变；掠入式主镜5的具体形状需要根据实际情况确定，如图1所示，掠入式主镜5为具有一定弧度的弧面结构，此时可以将多组力矩施加组件1设置于掠入式主镜5的两边，并且对称设置，在对掠入式主镜5施加力矩的过程中，掠入式主镜5的面形会发生改变，具体的变化方式需要根据实际情况进行确定，在此不做赘述。

相比于现有技术，本具体实施例所提供的掠入式光学元件面形校正装置结构简单，并且在使用的过程中所有所述力矩施加组件1向掠入式主镜5所施加力的合力为零，不会对原有的掠入式主镜5的固定结构产生作用力，因此不会影响掠入式主镜5原来的固定位置，保证了变量的单一性，方便调整和控制；另外，在对掠入式主镜5进行面形矫正的过程中，不需要将掠入式主镜5进行拆卸，方便易操作。

在上述实施例的基础上，如图3所示，可以使固定结构包括铰接设置的第一连杆2和第二连杆3，第一连杆2和第二连杆3的端部均设置有用于与掠入式主镜5接触的软垫结构，掠入式主镜5夹设于两个软垫结构之间；第一连杆2和第二连杆3中的至少一者与驱动结构连接，驱动结构可驱动第一连杆2相对于第二连杆3转动。

在对掠入式主镜5施加力矩的过程中，可以通过驱动结构带动第一连杆2和第二连杆3相对转动，使安装有软垫结构的一端紧贴掠入式主镜5，并对掠入式主镜5施加力，产生力矩，使掠入式主镜5的面形发生变化。

为了方便控制，可以将第一连杆2和第二连杆3的铰接处设置于非端部位置，且铰接处距离第一连杆2安装有软垫结构的一端的距离等于铰接处距离第二连杆3安装有软垫结构的一端的距离。

优选的，可以将软垫结构设置为O形圈4。

优选的，O形圈4与掠入式主镜5接触的表面为平面。

上述实施例中提到的固定结构的具体实施例中不需要改变掠入式主镜5的形状，也不需要在掠入式主镜5的边缘设置翻折边缘6，实施过程方便快捷，并且在对掠入式主镜5施加力矩的过程中，软垫结构对掠入式主镜5具有一定的保护作用，避免对掠入式主镜5的表面造成划伤等伤害。

在另一具体实施例中，可以使固定结构包括用于与掠入式主镜5的翻折边缘6贴合设置的传力结构以及与传力结构连接的传动组件，传动组件与驱动结构连接；传力结构施力于翻折边缘6，且传力结构施加于翻折边缘6的力始终与翻折边缘6垂直。

优选的，可以将传力结构设置为平行四边形结构7。

如图2所示，在使用的过程中，驱动结构通过传动组件将力传递至平行四边形结构7，由于平行四边形结构7的一条边与翻折边缘6贴合，使翻折边缘6的受力比较均匀，不会相对于掠入式主镜5的主体部分发生形变，在施力的过程中，会使掠入式主镜5的面形发生变化，以起到矫正掠入式主镜5面形的作用。

优选的，可以在平行四边形结构7与传动组件之间设置有柔性铰链8。

可以将本具体实施例中的传动组件设置为螺母丝杆结构，当然，传动组件还可以是其它满足要求的结构，具体根据实际情况确定，在此不做赘述。

需要进行说明的是，本申请文件中提到的驱动结构可以是电机也可以是电缸等其它结构，具体根据实际情况确定。

除了上述掠入式光学元件面形校正装置，本发明还提供一种应用于上述实施例公开的掠入式光学元件面形校正装置的方法，该掠入式光学元件面形校正方法包括：

步骤S1，计算执行元件所需的移动距离。

在使用上述具体实施例提到的掠入式光学元件面形校正装置的过程中，需要使用4D干涉仪，保持原来的用于固定掠入式主镜5的定位组件不动，控制住元件姿态，驱动单个力矩施加组件1，记录单位驱动量下所引入的像差，同样适用敏感度矩阵的基本思想，获得所需波前误差所需要添加的力进而获得力矩施加组件1的移动量。

基于上述掠入式光学元件面形校正装置，可以模拟大口径大视场***主动光学望远镜的调节环节，结合灵敏度矩阵的方法，可以验证大口径大视场调整策略，利用灵敏度矩阵进行主动光学调整原理如下。

上述步骤S1中，AΔD＝ΔZ，其中A为灵敏度矩阵，ΔD为执行元件的所需的移动距离，在本申请文件所提供的掠入式光学元件面形校正装置中具体的执行元件是指驱动结构的伸出位移量；ΔZ为Zernike多项式系数变化。

在计算的过程中，

对A进行奇异值分解A＝UΣV^T，其中，Σ＝diag(λ₁,λ₂,…,λ_l)为A的奇异值；

经过变形可得本征模式下像差和改正量之间的关系，首先计算B，进而利用B解算执行机构驱动量。

ΔD＝EB

其中，

B＝U^TΔZ

步骤S2，控制驱动结构按照所述移动距离动作，并带动固定结构动作，以使掠入式主镜5发生面形改变。

需要进行说明的是，本申请文件中提到的第一连杆2和第二连杆3中的第一和第二只是为了区分为位置的不同，并没有先后顺序之分。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。本发明所提供的所有实施例的任意组合方式均在此发明的保护范围内，在此不做赘述。

以上对本发明所提供的掠入式光学元件面形校正装置及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种掠入式光学元件面形校正装置，其特征在于，包括至少两组力矩施加组件(1)，所述力矩施加组件(1)包括固定结构以及用于提供驱动力的驱动结构；所述固定结构用于接触或夹紧掠入式主镜(5)边缘，将所述驱动结构所传递的力施加于所述掠入式主镜(5)并在所述掠入式主镜(5)产生力矩，使所述掠入式主镜(5)的面形发生改变；

所有所述力矩施加组件(1)向所述掠入式主镜(5)所施加力的合力为零；

所述固定结构包括铰接设置的第一连杆(2)和第二连杆(3)，所述第一连杆(2)和所述第二连杆(3)的端部均设置有用于与所述掠入式主镜(5)接触的软垫结构，所述掠入式主镜(5)夹设于两个所述软垫结构之间；

所述第一连杆(2)和所述第二连杆(3)中的至少一者与所述驱动结构连接，所述驱动结构可驱动所述第一连杆(2)相对于所述第二连杆(3)转动。

2.根据权利要求1所述的掠入式光学元件面形校正装置，其特征在于，所述第一连杆(2)和所述第二连杆(3)的铰接处位于非端部位置，且所述铰接处距离所述第一连杆(2)安装有所述软垫结构的一端的距离等于所述铰接处距离所述第二连杆(3)安装有所述软垫结构的一端的距离。

3.根据权利要求1所述的掠入式光学元件面形校正装置，其特征在于，所述软垫结构为O形圈(4)。

4.根据权利要求1所述的掠入式光学元件面形校正装置，其特征在于，所述固定结构包括用于与所述掠入式主镜(5)的翻折边缘(6)贴合设置的传力结构以及与所述传力结构连接的传动组件，所述传动组件与所述驱动结构连接；

所述传力结构施力于所述翻折边缘(6)，且所述传力结构施加于所述翻折边缘(6)的力始终与所述翻折边缘(6)垂直。

5.根据权利要求4所述的掠入式光学元件面形校正装置，其特征在于，所述传力结构为平行四边形结构(7)。

6.根据权利要求5所述的掠入式光学元件面形校正装置，其特征在于，所述平行四边形结构(7)与所述传动组件之间设置有柔性铰链(8)。

7.根据权利要求6所述的掠入式光学元件面形校正装置，其特征在于，所述传动组件为螺母丝杠结构(9)。

8.根据权利要求1-7任一项所述的掠入式光学元件面形校正装置，其特征在于，设置有多组所述力矩施加组件(1)，且所述力矩施加组件(1)沿所述掠入式主镜(5)的边缘均匀分布。

9.一种掠入式光学元件面形校正方法，应用于权利要求1-8任一项所述的掠入式光学元件面形校正装置，其特征在于，包括：

计算执行元件所需的移动距离；

控制驱动结构按照所述移动距离动作，并带动固定结构动作，以使掠入式主镜(5)发生面形改变。

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