大口径光学透镜的多级柔性支撑结构制造技术

本发明专利技术涉及大口径光学透镜的多级柔性支撑结构，所述多级柔性支撑结构包括镜座、多个铟钢支撑垫以及多个柔性支撑单元，所述铟钢支撑垫均匀设置于所述镜座并连接于所述大口径光学透镜；各所述柔性支撑单元连接于对应的所述铟钢支撑垫和所述镜座，各所述柔性支撑单元包括径向柔性支撑单元和连接于所述径向柔性支撑单元的轴向柔性支撑单元，所述径向柔性支撑单元和所述轴向柔性支撑单元相互配合以在四个方向的刚度上约束所述大口径光学透镜在空间的六个自由度，所述径向支撑单元用于补偿因透镜材料与镜座材料热膨胀系数差异性所产生的热应力，所述轴向柔性支撑单元用于补偿因镜座结构变形和加工误差所引入的应力。

【技术实现步骤摘要】
大口径光学透镜的多级柔性支撑结构
本专利技术涉及地基大型光学望远镜结构
，特别是涉及一种大口径光学透镜的多级柔性支撑结构。
技术介绍
为了满足大规模时域巡天、银河系测量、暗物质和暗能量探测、太阳系外行星搜索等需求，国内外已建造了多台主焦点形式的大视场望远镜，如日本天文台8.2m昴星团望远镜(Subaru)、在4米望远镜Mayall上的宽视场暗能量光谱仪(DESI)、8.4米口径的大视场望远镜LSST、兴隆观测基地2.16米望远镜等等。为了实现大相对孔径和大视场，上述望远镜的一个主要特点是主焦点位置处采用了口径非常大的光学透镜，如LSST中最大透镜口径为1.6米。为了实现大视场望远镜预期的探测能力及测量精度，需要保证大视场望远镜的主焦点处光学透镜的位置精度及镜面面形精度。对于大口径光学透镜来说，其位置精度和镜面面形精度由其支撑结构来保证，然而，同时满足位置精度和面形精度要求的支撑结构设计难度非常大，原因在于以下三个方面：(1)为了避免光学遮拦，即为了确保大口径光学透镜的视场，支撑结构仅能够被设置在大口径光学透镜的边缘位置，由于支撑接触面较小，导致大口径光学透镜受力状态恶劣，当光轴竖直状态时，受大口径光学透镜的重力影响，大口径光学透镜中心弯沉变形较大，将直接影响透镜相对位置精度；(2)同样为了避免光学遮拦，大口径光学透镜的镜座仅能设计为一个圆环形结构，且其内外圆被严格限定在一个狭窄的尺寸范围内。在有限的空间范围内，圆环形镜座的刚度设计是一个难点，而且大口径光学透镜的镜面面形精度受镜框刚度影响较大；(3)在纳米级面形精度要求下，大口径光学透镜的镜面支撑应力尤其是热应力非常敏感。由于透镜材料与镜框结构材料热胀系数很难完全一致，且各个透镜材料热胀系数差异较大，这造成了大口径光学透镜和支撑结构之间必然产生热应力。为了减小这部分温度应力，要求大口径光学透镜的支撑结构在热变形方向上设计足够的柔度，这又与高刚度支撑结构之间相互矛盾，结构刚度与柔度的折中是一个难点。在现有技术中，对于目前的光学透镜，采用的支撑方法主要为压圈方式，即直接将透镜安装在镜座内，镜面一侧贴合在镜座端面上，另一侧用压圈压紧。这种压圈的方式结构简单、装配容易，广泛应用于小型透镜支撑结构。然而，由于透镜整体贴合在镜座上，受镜座加工误差以及结构变形影响较大，即使细微的加工误差或结构变形也会导致镜面面形精度显著下降。此外，由于透镜材料与镜座材料必然存在热胀系数的差异，这种压圈方式受温度影响显著。因此，这种方式很难应用在大口径光学透镜上。
技术实现思路
基于此，本专利技术的一目的是，提供一种大口径光学透镜的多级柔性支撑结构，所述多级柔性支撑结构具有多级应力补偿功能，能够分别补偿因透镜材料与镜座材料热膨胀系数差异性所产生的温度应力，和补偿因镜座结构变形和加工误差所引入的应力，因而具有良好的支撑性能，能够同时满足所述大口径光学透镜的位置精度和镜面面形精度的需要；而且所述多级柔性支撑结构的结构简单，便于拆装，能够方便结构的后期维护、降低镜座设计和加工难度、以及大幅度降低材料成本。一种多级柔性支撑结构，适于支撑大口径光学透镜，包括：镜座；多个铟钢支撑垫，所述铟钢支撑垫均匀设置于所述镜座并连接于所述大口径光学透镜；以及多个柔性支撑单元，各所述柔性支撑单元连接于对应的所述铟钢支撑垫和所述镜座，各所述柔性支撑单元包括径向柔性支撑单元和连接于所述径向柔性支撑单元的轴向柔性支撑单元，所述径向柔性支撑单元连接于所述铟钢支撑垫，所述轴向柔性支撑单元连接于所述镜座，所述径向柔性支撑单元和所述轴向柔性支撑单元相互配合，以在四个方向的刚度上约束所述大口径光学透镜在空间的六个自由度，所述径向支撑单元被设置用于补偿因透镜材料与镜座材料热膨胀系数差异性所产生的热应力，所述轴向柔性支撑单元被设置用于补偿因镜座结构变形和加工误差所引入的应力。在本专利技术的一实施例中，所述径向柔性支撑单元的刚度包括在相互垂直的两个方向的径向刚度Kr和切向刚度Kt；所述轴向柔性支撑单元的刚度包括在相互垂直的两个方向的轴向刚度Ka和法向刚度Kn，所述轴向刚度Ka用于约束所述大口径光学透镜沿z轴方向的移动自由度dz、x轴方向的转动自由度RotX、以及y轴方向的转动自由度RotY；所述径向刚度Kr、所述切向刚度Kt以及所述法向刚度Kn则分别用于约束z轴方向的转动自由度RotZ、x轴方向的移动自由度dx以及y轴方向的移动自由度dy。在本专利技术的一实施例中，所述径向柔性支撑单元具有第一柔性薄片、连接于所述第一柔性薄片的两端的两第一连接件以及连接于所述第一柔性薄片中部的第二连接件，两所述第一连接件通过螺钉被固定连接于所述铟钢支撑垫，所述第二连接件通过螺钉被固定连接于所述轴向柔性支撑单元。在本专利技术的一实施例中，所述径向柔性支撑单元分别通过螺钉连接于所述铟钢支撑垫和所述轴向柔性支撑单元时，所述第一柔性薄片等效为两端固支的超静定薄梁，设所述第一柔性薄片的长度为l1，所述径向柔性支撑单元的径向刚度Kr和切向刚度Kt分别表示为：其中E为材料弹性模量，A为所述第一柔性薄片的横截面面积，I为截面惯性矩。在本专利技术的一实施例中，所述轴向柔性支撑单元具有基座和延伸自所述基座的凸台，所述凸台具有两安装槽并于两安装槽之间形成中间连接部，各所述安装槽被设置有第二柔性薄片，所述轴向柔性支撑单元的所述基座通过螺钉固定连接于所述镜座的台阶端面，所述中间连接部连接于所述径向柔性支撑单元的所述第二连接件。在本专利技术的一实施例中，所述第二柔性薄片具有顶层柔性薄片和延伸于所述顶层柔性薄片的底层柔性薄片，设所述第二柔性薄片的底层柔性薄片和所述中间连接部之间的总长度为l2，所述第二柔性薄片的顶层柔性薄片和所述中间连接部的总长度为l3，所述中间连接部的长度为l4，所述轴向柔性支撑单元的轴向刚度Ka表示为：其中E为材料弹性模量，I为截面惯性矩。在本专利技术的一实施例中，所述铟钢支撑垫具有第一侧面和与所述第一侧面相对的第二侧面，所述第一侧面被设置为圆柱面，所述圆柱面的直径与所述大口径光学透镜的镜体外圆直径相同，以供所述铟钢支撑垫通过所述第一侧面与所述大口径光学透镜相粘接，所述铟钢支撑垫于所述第二侧面被设置有多个螺纹孔，以供所述铟钢支撑垫通过螺钉连接于所述柔性支撑单元。在本专利技术的一实施例中，所述镜座为圆环形镜座，并被设置由金属材料制成。在本专利技术的一实施例中，所述镜座被所述镜座被设置有多个定位孔、多个操作孔以及多个加强筋，所述定位孔对应于相应的所述操作孔的位置被设置。本专利技术在另一方面还提供了一种大口径光学透镜，包括所述多级柔性支撑结构。本专利技术的所述多级柔性支撑结构能够同时满足所述大口径光学透镜的位置精度和面形精度的要求，具体地，所述多级柔性支撑结构采用在所述大口径光学透镜的边缘粘接多个与所述大口径光学透镜的材料热胀系数完全一致的所述铟钢支撑垫的方式，和通过所述径向柔性支撑单元和所述轴向柔性支撑单元将这些离散的所述铟钢支撑垫连接在所述大口径光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.多级柔性支撑结构，适于支撑大口径光学透镜，其特征在于，包括：/n镜座；/n多个铟钢支撑垫，所述铟钢支撑垫均匀设置于所述镜座并连接于所述大口径光学透镜；以及/n多个柔性支撑单元，各所述柔性支撑单元连接于对应的所述铟钢支撑垫和所述镜座，各所述柔性支撑单元包括径向柔性支撑单元和连接于所述径向柔性支撑单元的轴向柔性支撑单元，所述径向柔性支撑单元连接于所述铟钢支撑垫，所述轴向柔性支撑单元连接于所述镜座，所述径向柔性支撑单元和所述轴向柔性支撑单元相互配合，以在四个方向的刚度上约束所述大口径光学透镜在空间的六个自由度，所述径向支撑单元被设置用于补偿因透镜材料与镜座材料热膨胀系数差异性所产生的热应力，所述轴向柔性支撑单元被设置用于补偿因镜座结构变形和加工误差所引入的应力。/n

【技术特征摘要】
1.多级柔性支撑结构，适于支撑大口径光学透镜，其特征在于，包括：
镜座；
多个铟钢支撑垫，所述铟钢支撑垫均匀设置于所述镜座并连接于所述大口径光学透镜；以及
多个柔性支撑单元，各所述柔性支撑单元连接于对应的所述铟钢支撑垫和所述镜座，各所述柔性支撑单元包括径向柔性支撑单元和连接于所述径向柔性支撑单元的轴向柔性支撑单元，所述径向柔性支撑单元连接于所述铟钢支撑垫，所述轴向柔性支撑单元连接于所述镜座，所述径向柔性支撑单元和所述轴向柔性支撑单元相互配合，以在四个方向的刚度上约束所述大口径光学透镜在空间的六个自由度，所述径向支撑单元被设置用于补偿因透镜材料与镜座材料热膨胀系数差异性所产生的热应力，所述轴向柔性支撑单元被设置用于补偿因镜座结构变形和加工误差所引入的应力。


2.根据权利要求1所述的多级柔性支撑结构，其特征在于，所述径向柔性支撑单元的刚度包括在相互垂直的两个方向的径向刚度Kr和切向刚度Kt；所述轴向柔性支撑单元的刚度包括在相互垂直的两个方向的轴向刚度Ka和法向刚度Kn，所述轴向刚度Ka用于约束所述大口径光学透镜沿z轴方向的移动自由度dz、x轴方向的转动自由度RotX、以及y轴方向的转动自由度RotY；所述径向刚度Kr、所述切向刚度Kt以及所述法向刚度Kn则分别用于约束z轴方向的转动自由度RotZ、x轴方向的移动自由度dx以及y轴方向的移动自由度dy。


3.根据权利要求2所述的多级柔性支撑结构，其特征在于，所述径向柔性支撑单元具有第一柔性薄片、连接于所述第一柔性薄片的两端的两第一连接件以及连接于所述第一柔性薄片中部的第二连接件，两所述第一连接件通过螺钉被固定连接于所述铟钢支撑垫，所述第二连接件通过螺钉被固定连接于所述轴向柔性支撑单元。


4.根据权利要求3所述的多级柔性支撑结构，其特征在于，所述径向柔性支撑单元分别通过螺钉连接于所述铟钢支撑垫和所述轴向柔性支撑单元时，所述第一柔性薄片等效为两端固支的超静定薄梁，设所述第一柔性薄片的长度为l1，...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹玉岩，王建立，李洪文，王志臣，王洪浩，明名，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22