ЗЕРКАЛО С УПРАВЛЯЕМОЙ ФОРМОЙ ОТРАЖАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 1995 года по МПК G02B26/06 G02B5/10 

Изобретение относится к металлооптике, в частности к активным зеркалам, и может быть использовано в астрономических телескопах, лазерных системах.

Известно круногабаритное облегченное металлическое зеркало, содержащее пластину-зеркало с отражающей поверхностью, пластину-подложку и заполнитель из высокопористого ячеистого металла между ними [1] Использование заполнителя позволяет добиться облегчения зеркала, термостатировать зеркало методами конвективного охлаждения, обеспечивает изготовление путем полировки оптической поверхности высокого качества за счет высокой удельной жесткости конструкции зеркала.

Недостатком этого зеркала является невозможность управления формой отражающей поверхности для компенсации искажений волнового фронта, возникающих при распространении излучения в оптической системе или атмосфере.

Указанный недостаток устранен в конструкции зеркала с управляемой формой отражающей поверхности, являющегося наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту. Зеркало состоит из опорной плиты, установленных на ней дискретных актюаторов и подложки с отражающим слоем, к которой прикреплены толкатели актюаторов [2]
Недостатками зеркала с управляемой формой отражающей поверхности являются: низкий уровень стабильности формы отражающей поверхности зеркала, обусловленный тепловым воздействием излучения и окружающей среды на подложку и тем, что все деформации опорной плиты, вызванные гравитационными, тепловыми и структурными эффектами, передаются зеркалу; массивность конструкции за счет необходимости использования тяжелой опорной плиты для обеспечения приемлемой точности смещения подложки; ограниченные размеры зеркала (как правило, диаметр зеркала не превышает 20 см), так как при увеличении диаметра подложки для обеспечения ее жесткости необходимо увеличить ее толщину, что существенно снижает диапазон смещений подложки под действием актюаторов; локальный характер воздействия актюаторов на подложку зеркала; наличие механических резонансов, ограничивающих частотный диапазон работы зеркала (частота первого резонанса, как правило, не превышает 10 кГц); несогласованность упругих характеристик элементов конструкции зеркала, что не позволяет гарантировать заданную форму функций отклика зеркала и заданный диапазон смещений подложки под действием актюаторов.

Цель изобретения повышение стабильности формы отражающей поверхности и улучшение ее качества, облегчение конструкции, увеличение диаметра зеркала, расширение динамического диапазона работы зеркала, обеспечение заданной формы функций отклика зеркала и заданного диапазона смещений подложки под действием актюаторов.

Поставленная цель достигается тем, что в известной конструкции зеркала с управляемой формой отражающей поверхности подложка, толкатели и опорная плита жестко связаны с заполнителем из высокопористого ячеистого металла, размещенным в зазоре между опорной плитой и подложкой, причем число и взаимное расположение актюаторов выбираются так, чтобы они равномерно заполняли поверхность подложки, а упругие свойства подложки, заполнителя и актюаторов, выбираются так, чтобы безразмерные параметры L и G, определяющие форму функций отклика и диапазон смещений подложки, удовлетворяли условиям: 1,1 ≅L≅3,2, G≅7,5,
где L a (K/D)^1/4, G K_a(kD)^-1/2;
а расстояние между актюаторами;
k модуль упругости заполнителя;
D цилиндрическая жесткость подложки,
K_а жесткость актюатора.

С целью термостатирования зеркало помещено в корпус, в которому прикреплены патрубки для подвода и отвода теплоносителя.

Приведенные выше выражения для безразмерных параметров, определяющих форму функций отклика и диапазон смещений подложки, можно получить, используя уравнения теории тонкой пластины [3]
Описываемое зеркало с управляемой формой отражающей поверхности можно рассматривать как тонкую пластину (подложка) на упругом основании (заполнитель). При определении профиля зеркальной поверхности исходят из предложения о том, что интенсивность реакции основания пропорциональна прогибам W() подложки зеркала. В этом случае уравнение изгиба подложки под действием поперечной нагрузки p() имеет вид [3] ΔΔW()= (p()- k w())/D (1) где k коэффициент пропорциональности, называемый модулем упругости основания;
D цилиндрическая жесткость рабочей пластины.

В частном случае подложки, нагруженной в центре силой Р, интенсивность p() обращается в нуль по всей площади подложки, за исключением центра, тогда уравнение (1) принимает вид
(a²/dr² + r^-1d/dr) (a²w/dr² + r^-1 dw/dr) + k/Dw 0 (2) Обозначив k/D 1^-4 и введя безразмерные переменные z w/l и x r/l, получаем
ΔΔz + z 0 (3) где символом Δ обозначено d²/dx² + (x^-1 d/dx).

Общее решение уравнения (3 ) имеет вид (оставлены члены до х¹⁸включительно) [3]
w P/(8π kl²) (a₁(1 1,56˙10^-2x⁴ + 6,78 ˙10^-6x⁸ 4,71˙10^-10 x¹²+ 9,39 ˙10^-15 x¹⁶ + (a₂ + lnx) (x² 1,74˙10^-3x⁶ + 2,71˙10^-7x¹⁰ 9,61˙10^-12x¹⁴ + 1,16˙10^-16x¹⁸) + 1,45˙10^-3x⁶ 2,38˙10^-7x¹⁰ + 9,19˙10^-12x¹⁴ 1,18˙10^-16x¹⁸), (4) где а₁ и а₂ постоянные, определяемые из условий заделки края зеркала. В случае зеркала со свободным краем эти условия имеют вид:
(d²w/dr² + μr^-1(dw/dr_)r=R 0
d/dr(d²w/dr² + r^-1 dw/dr)_r=R 0, (5) где μ коэффициент Пуассона;
R радиус подложки.

При заданных размерах подложки и модулях подложки и заполнителя соотношения (5) приводятся к двум линейным относительно а₁ и а₂уравнениям. Из формулы (4) следует, что форма функций отклика определяется значениями а₁ и а ₂, которые, в свою очередь, зависят от безразмерного параметра L R/l и коэффициента Пуассона материала подложки μ Рассмотренный случай соответствует зеркалу с одним актюатором, расположенным в центре, однако, если пренебречь упругой связью актюаторов через подложку, можно применить аналогичное описание к зеркалу с несколькими актюаторами, в этом случае вместо радиуса подложки в выражения (5) входит расстояния между актюаторами а, т.е. R а. При таком рассмотрении подразумевается, что число и расположение актюаторов выбраны так, чтобы актюаторы равномерно заполняли поверхность подложки. Такое расположение позволяет использовать при управлении всю отражающую поверхность зеркала и обеспечить формирование под действием актюаторов поверхностей сложной формы.

Для эффективной коррекции искажений волнового фронта функции отклика должны удовлетворять двум условиям, во-первых, их форма должна отличаться от плоскости, характерным является минимальное изменение прогиба на расстояние а, равное 10% от максимального прогиба подложки; во-вторых, желательно иметь монотонную функцию отклика, так как это упрощает процесс управления зеркалом. Эти условия определяют диапазон изменения параметра L. На фиг.1 представлены характерные функции отклика, вычисленные при μ= 0,34 (медь) и различных значениях параметра L. При L<1 функция отклика практически не отличается от плоскости (случай L 0,1 на фиг.1), поэтому этот диапазон изменения L не представляет интереса при конструировании зеркал с управляемой формой отражающей поверхности. Как видно из табл.1 условие =0,1 выполняется при значении L 1,1, которое является нижней границей диапазона изменения параметра L. Нарушение монотонности функции отклика происходит при L>3,2 (случай L 4 на фиг.1), таким образом, значение L 3,2 является верхней границей диапазона изменения L. Из табл.1 и фиг.1 видно что условия, наложенные на форму функций отклика, выполняются при 1,1≅L≅3,2 и не выполняются при других значениях параметра L.

При заданном параметре L для обеспечения эффективной работы актюатора необходимо согласовать жесткость актюатора и модули подложки и заполнителя. Будем характеризовать эффективность работы актюатора отношением удлинения актюатора в составе зеркала W к удлинению актюатора в свободном состоянии W_о. Удлинение актюатора совпадает со смещением подложки месте его расположения
W w(x=0) a₁/P(8πkl²) -PK_a^-1 + W_o, (6) откуда
W/W_o 1 1/(1 + a₁G/(8π)), (7) где G K_a(kD)^-1/2;
Kа жесткость актюатора.

На фиг. 2 представлены зависимости W/W_o (G) при различных значениях L. Для практически важных случаев L>1,1 относительное удлинение актюатора W/W_о быстро падает с уменьшением параметра G, поэтому для обеспечения эффективной работы актюатора необходимо согласовать модули заполнителя, подложки и актюаторов. Как правило работу актюатора можно считать эффективной, если реализуется относительное удлинение W/W_o≥0,5. Чтобы это условие выполнялось для всех значений L из заданного диапазона (1,1≅L≅ 3,2), параметр G должен быть больше 7,5 (табл.2).

Описываемое зеркало с управляемой формой отражающей поверхности за счет использования заполнителя имеет высокую жесткость, поэтому повышается стабильность зеркала, появляется возможность увеличить его диаметр без утолщения подложки при сохранении высокого оптического качества отражающей поверхности, становится возможным использование подложки с произвольной (отличной от плоскости) формой отражающей поверхности. Кроме того, в данной конструкции исключается локальность воздействия актюаторов на подложку, что также позволяет получить отражающую поверхность высокого качества. В предлагаемом зеркале наличие массивной опорной плиты не является необходимым, что позволяет облегчить конструкцию. Жесткая связь между подложкой, опорной плитой и заполнителем способствует демпфированию резонансных колебаний подложки и, следовательно, увеличению частотного диапазона работы зеркала. Согласование параметров элементов конструкции зеркала и ограничение безразмерных параметров L и G позволяет получить функции отклика, обеспечивающие эффективную коррекцию искажений волнового фронта, и гарантировать диапазон смещений актюатора в составе зеркала не менее 0,5 от его смещения в свободном состоянии (вне зеркала).

Предлагаемое зеркало с управляемой формой отражающей поверхности обладает высоким уровнем термической стабильности, так как применение высокопористого ячеистого металла в качестве компактного теплообменника позволяет за счет развития поверхности теплообмена и повышения локального коэффициента теплоотдачи интенсифицировать теплопередачу, при принудительном охлаждении в таком теплообменнике в условиях практически комнатных температур реализуется более высокий уровень теплосъема, чем в традиционных системах охлаждения [4] Так, например, при прокачке через теплообменник из высокопористого ячеистого металла воздуха реализуется уровень теплосъема, равный получаемому в начальных теплообменниках при использовании в качестве теплоносителя воды.

Общий вид зеркала с управляемой формой отражающей поверхности изображен на фиг.3.

Зеркало содержит подложку с отражающим покрытием 1, к которой прикреплены толкатели актюаторов 2, актюаторы 3, заполнитель из высокопористого ячеистого металла 4, опорную плиту 5, корпус 6 с патрубками 7 для подвода и отвода теплоносителя. Отражающая пластина соединена с корпусом упругим сильфоном 8. В качестве примера на фиг.3 изображены актюаторы в виде многозаходных цилиндрических пружин [7]
Зеркало работает следующим образом.

На актюаторы 3 подаются управляющие сигналы, под действием которых актюаторы удлиняются или укорачиваются, деформируя подложку с отражающим покрытием 1. Варьируя величину управляющих сигналов, получают отражающую поверхность заданной формы. При необходимости термостабилизации через заполнитель 4 прокачивается теплоноситель, поступающий по патрубкам 7.

В качестве примера технической реализации рассмотрим 61-элементное зеркало с управляемой формой отражающей поверхности со сферической отражающей пластиной диаметром 500 мм и радиусом кривизны 3 м. Технология изготовления зеркала состоит в следующем. В подложке из пенополиуретана (марка ППУ-ЭО-100 с диаметром ячейки 3,5 мм) в форме диска диаметром 500 мм, высотой 280 мм с одной стороны перпендикулярно основанию пробковым сверлом сверлится 61 отверстие диаметром 40 мм на глубину 265 мм и соосно им с другой стороны отверстия диаметром 14 мм на глубину 15 мм, причем оси отверстий находятся в узлах гексагональной сетки с шагом 50 мм. С тыльной стороны отражающей пластины из меди марки МОО диаметром 500 мм, толщиной 5,0 мм и радиусом кривизны 3 м припаиваются цилиндрические толкатели из меди диаметром 15 мм и длиной 51 мм со шлицем и резьбой на конце. Оси толкателей направлены параллельно оси, проходящей через центр пластины. В качестве опорной плиты используется медная пластина толщиной 13 мм с 61 резьбовым отверстием. Далее в специальном приспособлении, обеспечивающем плотный контакт, собирается трехслойная конструкция "перфорированная медная опорная плита пенополиуретановая подложка медная отражающая пластина с толкателями", причем в процессе сборки обеспечивается соосность толкателей и отверстий в подложке и опорной плите. Так как диаметр толкателей на 1 мм больше, чем диаметр отверстий в подложке, обеспечивается натяг последней по образующей толкателей.

Для связи элементов зеркала между собой трехслойная конструкция помещается в раствор химического меднения и проводится металлизация, в результате которой происходит осаждение меди как на структурные элементы полимерной подложки, так и на металлические части конструкции, образуя тем самым жесткую связь между ними. Далее приводится процесс термоокислительного отжига конструкции при 500^оС на воздухе, в результате которого из заполнителя удаляется пенополиуретан, а затем проводится восстановление и спекание конструкции в среде водорода при 950^оС. В результате металлизации и спекания формируется прочный контакт структурных элементов (перемычек) заполнителя с подложкой, опорной плитой и толкателями. Далее в посадочные отверстия со стороны опорной плиты устанавливаются актюаторы, собранная конструкция помещается в корпус, к которому прикреплены патрубки для подвода и отвода теплоносителя, после чего производится оптическая обработка подложки зеркала.

Описанная выше последовательность получения жесткого контакта между элементами зеркала проверялась на опытном образце, представляющем из себя две медные пластины, между которыми помещался пенополиуретановый наполнитель со вставленными в него медными стержнями, прикрепленными концами к пластинам. На фиг.4 показана получившаяся структура.

Определим значения безразмерных параметров L и G для описанного 61-элементного зеркала. Цилиндрическая жесткость круглой пластины толщины h определяется выражением D Eh³/(12(1- μ²)), где Е -модуль Юнга;
μ- коэффициент Пуассона материала подложки.

Модуль упругости основания может быть определен экспериментально. Однако для оценки численных значений параметров L и G можно использовать для переменной l приближенную формулу l≈(1,24 D/K_o)^1/3 [3] где K_o E_o/2(1- μ_o²));
Е_о модуль Юнга;
μ_o- коэффициент Пуассона материала основания.

Для высокопористого ячеистого металла модуль Юнга вычисляется по формуле Е_о Е_н (1 П)², где Ен модуль Юнга сплошного материала;
П пористость [8]
Так как основание получено путем напыления меди, а подложка также состоит из меди, то Е Е_н. В нашем случае П 0,9, μ0,34, μ_o= 0,045. Расстояние между актюаторами а 50 мм, толщина подложки h 5 мм. Подставляя численные значения в выражение для параметра L L a/l, получаем L 3,0, что лежит в полученном численно диапазоне. Жесткость актюатора можно оценить по порядку величины как К_а 10⁶Н/см², тогда G 30, т.е. также лежит в заданном диапазоне.

Использование: изобретение относится к металлооптике, в частности к активным зеркалам, и может быть использовано в астрономических телескопах, лазерных системах. Сущность изобретения: зеркало содержит подложку с отражающим покрытием 1, к которой прикреплены толкатели актюаторов 2, актюаторы 3, заполнитель 4 из высокопористого ячеистого металла, опорную плиту 5, корпус 6 с патрубками 7 для подвода и отвода теплоносителя. Отражающая пластина соединена с корпусом упругим сильфоном. В рабочем состоянии зеркала на актюаторы 3 подаются управляющие сигналы, под действием которых актюаторы удлиняются или укорачиваются, деформируя подложку с отражающим покрытием 1. Варьируя величину управляющих сигналов получают отражающую поверхность заданной формы. При необходимости термостабилизации через заполнитель 4 прокачивается теплоноситель, поступающий по патрубкам 7. 1 з. п. ф-лы, 4 ил. 2 табл.

1. ЗЕРКАЛО С УПРАВЛЯЕМОЙ ФОРМОЙ ОТРАЖАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ, содержащее актюаторы, установленные в зазоре между опорной плитой и подложкой, выполненной в виде гибкой пластины с отражающим покрытием, к которой прикреплены толкатели актюаторов, отличающееся тем, что, с целью повышения стабильности формы отражающей поверхности и улучшения ее качества, облегчения конструкции, увеличения диаметра зеркала, расширения динамического диапазона работы зеркала, обеспечения заданной формы функции отклика и заданного диапазона смещений отражающей пластины под действием актюаторов, подложка, толкатели и опорная плита жестко связаны с размещенным в зазоре между опорной плитой и подложкой заполнителем из высокопористого ячеистого металла, при этом актюаторы равномерно распределены по поверхности подложки, а упругие свойства подложки, заполнителя и актюаторов, выбираются из условий
1,1 ≅ L ≅ 3,2
G ≅ 7,5
где L a · (k/D)^1/4 G K_a · (k D)^-1/2;
a расстояние между актюаторами;
k модуль упругости заполнителя;
D цилиндрическая жесткость подложки;
K_а жесткость актюатора. 2. Зеркало по п. 1, отличающееся тем, что, с целью термостатирования, зеркало помещено в корпус, к которому прикреплены патрубки для подвода и отвода теплоносителя.