CN102615567B - 大口径平面光学元件的夹具和装夹方法 - Google Patents

Abstract

一种大口径平面光学元件的夹具和装夹方法，该夹具的构成包括大口径平面光学元件压板、弹性支点、变形薄板框、内六角圆柱头螺钉、凸台、镜框、旋转轴和支架，本发明利用金属结构直接装夹大口径光学元件，可在降低金属装夹框表面加工精度和光学元件处于任意倾斜角度等情况下，而不产生光学元件装夹应力，同时金属结构直接装夹可很好避免了传统有机物无应力装夹而带来的有机污染。本发明可广泛应用于大口径平面光学元件在光学工程、光学实验装置中的装夹，具有很强的实用性。

Description

大口径平面光学元件的夹具和装夹方法

技术领域

本发明涉及光学元件，特别是一种大口径平面光学元件的夹具和装夹方法，可广泛应用于大口径平面光学元件在光学工程、光学实验装置中的装夹，特别是在真空环境以及洁净度要求高的环境下，此方法也能满足各种外形大口径平面光学元件的装夹，并达到无污染、无应力的要求。

背景技术

目前，高功率激光的发展趋势是大口径、高通量、列阵化方向发展，要实现激光高通量传输必须具备一个洁净、干燥、无污染的环境，传统的有机物无应力装夹显然无法满足该要求。这主要是传统有机物无应力装夹方式用的是硅胶、真空橡皮或软木等，其在高功率激光直接或间接辐照下会产生污染物——气溶胶，分布于整个实验环境而对光学元件产生污染，从而使光学元件在激光辐照下损伤或损伤增长。所以，大口径光学元件的装夹方式必须有效解决。

发明内容

本发明的目的是要提供一种大口径平面光学元件的夹具和装夹方法，它既能实现无应力装夹，又能在特殊条件下避免二次污染。

本发明的技术解决方案如下：

一种大口径平面光学元件的夹具，特点在于其构成包括大口径平面光学元件压板、弹性支点、变形薄板框、内六角圆柱头螺钉、凸台、镜框、旋转轴和支架，上述元件的位置关系如下： 

所夹持的大口径平面光学元件在通光孔径外应留有一定的周边供所述的变形薄板框贴设，该变形薄板框的形状与所述的大口径平面光学元件的周边的形状相同；

所述的镜框供所述的大口径平面光学元件安装，根据所夹持的大口径平面光学元件的通光孔径及其形状留有通光孔，该镜框的横轴方向的两侧设有旋转轴，以套设在所述的支架的轴套中；

在所述的镜框和大口径平面光学元件压板之间通过多个凸台和内六角圆柱头螺钉将所述的镜框和大口径平面光学元件压板固定在一起，在所述的大口径平面光学元件压板和所述的大口径平面光学元件下表面的周边设有多个弹性支点，使所述的变形薄板框的面随所述的大口径平面光学元件的平面度而改变并紧密贴合。

所述的弹性支点由弹性支点外壳调节丝杆、锁紧压圈、螺母、弹簧和弹簧套构成，所述的调节丝杆使弹簧在弹簧套内有限的空间内变形，通过弹簧套将力作用在变形薄板框上，作用力的大小由调节丝杆控制，锁紧压圈起到防止螺母在调节后松动的作用，弹性支点外壳固定在所述的大口径平面光学元件压板上，起到固定弹性支点的作用。

所述的大口径平面光学元件形状为正方形、长方形、圆形、椭圆形或多边形。

所述的弹性支点的设置根据所夹持的大口径平面光学元件形状和大小决定，对于正方形或长方形的大口径平面光学元件，两个弹性支点之间的距离为100～150mm；对于圆形或椭圆形的大口径平面光学元件，两个弹性支点间的圆弧距离为140～180mm。

所述的变形薄板框的厚度应根据大口径平面光学元件重力分力来选择：

对有倾斜角度的大口径平面光学元件装夹时，根据倾角大小分析镜面重力的分力来计算其对薄板框的压力大小，选择变形薄板框的张力略小于大口径平面光学元件重力分力，使所述的变形薄板框紧贴光学元件表面，当不可抗拒的外力因素影响大口径平面光学元件本身时，通过光学元件将力转加到变形薄板框上，使薄板框变形，而大口径平面光学元件的平面不变形。

利用上述的大口径平面光学元件的夹具对大口径平面光学元件的装夹方法，其特点在于该方法包括下列步骤：

①将大口径平面光学元件装入镜框中，放上变形薄板框；

②通过内六角圆柱头螺钉和凸台，将大口径平面光学元件压板与镜框刚性连接；

③根据弹性支点的间距要求，设定根据弹性支点的分布结构，将多个弹性支点安装在大口径平面光学元件压板上，呈放松状态；

④将镜框整体安装在旋转轴和支架上；

⑤通过旋转使安装后的镜框整体呈45°状态；

⑥调节弹性支点的调节丝杆，使所述的大口径平面光学元件的上表面与镜框的接触面轻微接触即可。

一种大口径平面光学元件的夹具，即光学元件与机械镜架间的连接方式，其特点是利用金属结构直接装夹大口径光学元件，可在降低金属装夹框表面加工精度和光学元件处于任意倾斜角度等情况下，而不产生光学元件装夹应力，同时金属结构直接装夹可很好避免了传统有机物无应力装夹而带来的有机污染。

本发明大口径平面光学元件夹具的主导思想是作用力由点及面，分别通过多个弹性支点对薄板框产生作用力，使力不是直接作用在镜面上，而是通过薄板框使支撑力间接地作用，避免镜面因装夹而引起变形。本发明的装夹方法适用范围是形状为正方形、长方形、圆形、椭圆形和多边形的大口径平面光学元件。可调弹性支点的数量根据大口径平面光学元件实际的外形和尺寸大小而定。

1）当大口径平面光学元件外形为正方形时，其每条边上需要均匀设置3个以上数量的弹性支点，具体个数需按照正方形光学元件的实际尺寸而定。通常，正方形光学元件所需的弹性支点数量为4的倍数。

2）当大口径平面光学元件外形为长方形时，原则上长边多点、短边少点，甚至于可以不用点，其长边上需要均匀设置3个以上数量的弹性支点，具体长短边设置弹性支点个数需按照长方形光学元件的实际尺寸而定。通常，长方形光学元件所需的弹性支点数量为2的倍数。

3）当大口径平面光学元件外形为圆形时，至少要均匀分布6个点，具体设置弹性支点个数需按照圆形光学元件的实际尺寸而定。通常，圆形光学元件所需的弹性支点数量为3的倍数。

4）当大口径平面光学元件外形为椭圆形时，至少要均匀分布6个点，主要分布在长轴上，短轴上分布少量甚至不用，具体设置弹性支点个数需按照椭圆形光学元件的实际尺寸而定。通常，椭圆形光学元件所需的弹性支点数量为2的倍数。

5）当大口径平面光学元件外形为多边形时，根据其实际情况，参考上述四种分析原则，选用合适数量、合适位置的弹性支点。

一般来说，对于正方形和长方形的大口径平面光学元件，其两个弹性支点间的距离约为100～150mm；对于圆形和椭圆形的大口径平面光学元件，其两个弹性支点间的圆弧距离约为140～180mm。

此外，变形薄板框的设计可使变形薄板框的面形根据光学元件表面的面形而变化，在保证光学元件表面平面度不改变的前提下，与薄板框紧密贴合，此方法不受大口径平面光学元件外形限制，无论光学元件是正方形、长方形、圆形、椭圆形或多边形，只需改变变形薄板框形状与其对应即可。在确保光学元件的通光口径尺寸的同时，需在口径外预留单边30mm的距离来安装变形薄板框和弹性支点。

对有倾斜角度的大口径平面光学元件装夹时，可以根据大口径平面光学元件重力分力对变形薄板框的压力来选择其合适的厚度。此时，弹性支点置于大口径平面光学元件的下表面。通常情况下，薄板框的材料选择用铝板或不锈钢板。选择变形薄板框厚度的方法为：当大口径平面光学元件存在倾斜角度时，根据倾角大小分析大口径平面光学元件重力的分力来计算其对薄板框的压力大小，要选择变形薄板框的张力略小于大口径平面光学元件重力分力。其原因在于，过硬的薄板框会由于薄板框平面度低于镜面平面度，导致大口径平面光学元件由于自身重力的关系挤压而产生镜面变形，而通过计算选择合适的薄板框厚度能将大口径平面光学元件所受的外力转移到此变形薄板框上，且不影响镜面平面度。最重要的是变形薄板框自身不需要任何平面度要求，大大降低加工难度。

可调弹性支点的结构由弹性支点外壳、调节丝杆、锁紧压圈、螺母、弹簧和弹簧套构成，提供多个可调的力点。其特征在于调节调节丝杆使弹簧在有限的空间内变形，通过弹簧套将力作用在变形薄板框上，作用力的大小由调节丝杆控制。锁紧压圈起到防止螺母在调节时松动的作用，弹性支点外壳起到固定弹性支点的作用。当大口径平面光学元件存在倾斜角度时，根据倾角大小分析大口径平面光学元件重力的分力来选择弹簧弹性，要选择弹簧弹性略大于大口径平面光学元件重力分力，才能使得弹性支点有足够的里支撑大口径平面光学元件，起到稳定的作用。设计此弹性支点在实际中最大的作用是能够实现对大口径平面光学元件的固定，尤其是能解决当大口径平面光学元件存在倾斜角度时的固定问题。

本发明的技术效果：

由于本装夹方法避免了使用有机材料，不会因为激光杂散光辐照而产生污染，同时降低了对机械件加工的精度要求，并且能保证大口径光学元件在装夹后的装夹变形量小于1/10 wave（国际上定义光学元件的装夹变形量小于1/6 wave为达到无应力要求），所以本方法能实现无应力装夹。

附图说明

图1是本发明大口径平面光学元件的夹具的结构主视图

图2是本发明大口径平面光学元件的夹具的结构左视图

图3是本发明弹性支点的放大结构图

图4是本发明的在45°倾角状态下的结构图

图5是本发明中的变形薄板框零件图

图中：1－大口径平面光学元件压板； 2－弹性支点； 3－变形薄板框；4－内六角圆柱头螺钉； 5－凸台；6－镜框；7－大口径平面光学元件；8－旋转轴；9－支架； 2-1－弹性支点外壳； 2-2－调节丝杆； 2-3－锁紧压圈； 2-4－螺母； 2-5－弹簧； 2-6－弹簧套。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明大口径平面光学元件的夹具的结构主视图，由图可见，本发明大口径平面光学元件的夹具，其构成包括大口径平面光学元件压板1、弹性支点2、变形薄板框3、内六角圆柱头螺钉4、凸台5、镜框6、旋转轴8和支架9，上述元件的位置关系如下： 

所夹持的大口径平面光学元件7在通光孔径外应留有一定的周边供所述的变形薄板框3贴设，该变形薄板框3的形状与所述的大口径平面光学元件7的周边的形状相同；

所述的镜框6供所述的大口径平面光学元件7安装，根据所夹持的大口径平面光学元件7的通光孔径及其形状留有通光孔，该镜框6的横轴方向的两侧设有旋转轴8，以套设在所述的支架9的轴套中；

在所述的镜框6和大口径平面光学元件压板1之间通过多个凸台5和内六角圆柱头螺钉4将所述的镜框6和大口径平面光学元件压板1固定在一起，在所述的大口径平面光学元件压板1和所述的大口径平面光学元件7下表面的周边设有多个弹性支点2，使所述的变形薄板框3的面随所述的大口径平面光学元件7的平面度而改变并紧密贴合。

所述的弹性支点2如图3所示，由弹性支点外壳2-1调节丝杆2-2、锁紧压圈2-3、螺母2-4、弹簧2-5和弹簧套2-6构成，所述的调节丝杆2-2使弹簧2-5在弹簧套2-6内有限的空间内变形，通过弹簧套2-6将力作用在变形薄板框3上，作用力的大小由调节丝杆2-2控制，锁紧压圈2-3起到防止螺母2-4在调节后松动的作用，弹性支点外壳2-1固定在所述的大口径平面光学元件压板1上，起到固定弹性支点的作用。

所述的大口径平面光学元件7形状为正方形、长方形、圆形、椭圆形或多边形。

所述的弹性支点2的设置根据所夹持的大口径平面光学元件7形状和大小决定，对于正方形或长方形的大口径平面光学元件，两个弹性支点2之间的距离为100～150mm；对于圆形或椭圆形的大口径平面光学元件，两个弹性支点间的圆弧距离为140～180mm。

所述的变形薄板框3的厚度应根据大口径平面光学元件重力分力来选择：

对有倾斜角度的大口径平面光学元件装夹时，根据倾角大小分析镜面重力的分力来计算其对薄板框的压力大小，选择变形薄板框的张力略小于大口径平面光学元件重力分力，使所述的变形薄板框紧贴光学元件表面，当不可抗拒的外力因素影响大口径平面光学元件本身时，通过光学元件将力转加到变形薄板框（3）上，使薄板框变形，而大口径平面光学元件的平面不变形。

图1是本发明大口径平面光学元件的夹具一个具体实施例的结构主视图，以图中的八边形大口径光学元件为例，其尺寸为340mm（长）×240mm（宽）×40mm（高），重量约为7kg，图中清晰可见设有6个可调弹性支点2。图2是本发明实施例的左视图。图4是此光学元件在实际使用状态为45°倾角时的左视图，清楚可见大口径平面光学元件的夹具和装夹方法，图5是本发明中的变形薄板框3的零件图。通过计算得45°倾角时，变形薄板框3受到大口径光学元件的重力分力为49N，六个弹性支点的受力分别为上方支点力约15.68N，中间支点力约0.0294N，下方支点力约8.82N。可见，六个弹性支点的支持力合力近似等于大口径光学元件的重力分力，以确保光学元件表面的平面度不改变。

图3是本发明中弹性支点的放大结构图，分别通过6个弹性支点对变形薄板框3产生作用力，通过变形薄板框3使支撑力均匀地作用在大口径平面光学元件7上，避免镜面产生应力而引起变形。所述的弹性支点2的结构，调节调节丝杆2-2使弹簧2-5在弹簧套2-6的有限的空间内变形，通过弹簧套2-6将力作用在变形薄板框3上，作用力的大小由调节丝杆2-2控制。锁紧压圈2-3起到防止螺母2-4在调节时松动的作用，弹性支点外壳2-1起到固定弹性支点的作用。此例中根据大口径平面光学元件重量选择了Φ7×0.8的弹簧。设计此弹性支点在实际中最大的作用是能够实现对大口径平面光学元件的固定，尤其是能解决当大口径平面光学元件存在倾斜角度时的固定问题。

所述的选择变形薄板框3厚度的方法，其特征在于当大口径大口径平面光学元件存在倾斜角度时，根据倾角大小分析镜面重力的分力来计算其对薄板框的压力大小，选择变形薄板框的张力略小于大口径大口径平面光学元件重力分力，可将大口径平面光学元件所受的外力转移到此变形薄板框上，且不影响镜面平面度。此例中根据大口径平面光学元件重量选择了1mm厚度的铝板作为变形薄板框的材料。最重要的是变形薄板框3自身不需要任何平板度要求，大大降低加工难度。

本夹具的安装方法如下：

①将大口径平面光学元件7装入镜框6中，放上变形薄板框3；

②通过内六角圆柱头螺钉4和凸台5，将大口径平面光学元件压板1与镜框6刚性连接；

③根据弹性支点2结构图，将6个弹性支点安装在大口径平面光学元件压板1上，呈放松状态；

④将镜框整体安装在旋转轴8和支架9上；

⑤通过旋转使安装后的镜框整体呈45°状态；

⑥调节6个弹性支点2的调节丝杆2-2至大口径平面光学元件7的上表面与镜框6端面轻微接触即可。

实验表明，由于本装夹方法避免了使用有机材料，不会因为激光杂散光辐照而产生污染，同时降低了对机械件加工的精度要求，并且能保证大口径光学元件在装夹后的装夹变形量小于1/10 wave（国际上定义光学元件的装夹变形量小于1/6 wave为达到无应力要求），所以本方法能实现无应力装夹。

Claims (6)

1.一种大口径平面光学元件的夹具，特征在于其构成包括大口径平面光学元件压板（1）、弹性支点（2）、变形薄板框（3）、内六角圆柱头螺钉（4）、凸台（5）、镜框（6）、旋转轴（8）和支架（9），上述元件的位置关系如下：

所夹持的大口径平面光学元件（7）在通光孔径外应留有一定的周边供所述的变形薄板框（3）贴设，该变形薄板框（3）的形状与所述的大口径平面光学元件（7）的周边的形状相同；

所述的镜框（6）供所述的大口径平面光学元件（7）安装，根据所夹持的大口径平面光学元件（7）的通光孔径及其形状留有通光孔，该镜框（6）的横轴方向的两侧设有旋转轴（8），以套设在所述的支架（9）的轴套中；

在所述的镜框（6）和大口径平面光学元件压板（1）之间通过多个凸台（5）和内六角圆柱头螺钉（4）将所述的镜框（6）和大口径平面光学元件压板（1）固定在一起，在所述的大口径平面光学元件压板（1）和所述的大口径平面光学元件（7）下表面的周边设有多个弹性支点（2），使所述的变形薄板框（3）的面随所述的大口径平面光学元件（7）的平面度而改变并紧密贴合。

2.根据权利要求1所述的大口径平面光学元件的夹具，其特征在于所述的弹性支点（2）由弹性支点外壳（2-1）、调节丝杆(2-2)、锁紧压圈（2-3）、螺母（2-4）、弹簧（2-5）和弹簧套（2-6）构成，所述的调节丝杆（2-2）使弹簧（2-5）在弹簧套（2-6）内有限的空间内变形，通过弹簧套（2-6）将力作用在变形薄板框（3）上，作用力的大小由调节丝杆（2-2）控制，锁紧压圈（2-3）起到防止螺母（2-4）在调节后松动的作用，弹性支点外壳（2-1）固定在所述的大口径平面光学元件压板（1）上，起到固定弹性支点的作用。

3.根据权利要求1所述的大口径平面光学元件的夹具，其特征在于所述的大口径平面光学元件（7）形状为正方形、长方形、圆形或椭圆形。

4.根据权利要求1所述的大口径平面光学元件的夹具，其特征在于，对于正方形或长方形的大口径平面光学元件，两个弹性支点（2）之间的距离为100～150mm；对于圆形或椭圆形的大口径平面光学元件，两个弹性支点间的圆弧距离为140～180mm。

5.根据权利要求1所述的大口径平面光学元件的夹具，其特征在于所述的变形薄板框（3）的厚度应根据大口径平面光学元件重力分力来选择：

对有倾斜角度的大口径平面光学元件装夹时，根据倾角大小分析镜面重力的分力来计算其对薄板框的压力大小，选择变形薄板框的张力略小于大口径平面光学元件重力分力，使所述的变形薄板框紧贴光学元件表面，当不可抗拒的外力因素影响大口径平面光学元件本身时，通过光学元件将力转加到变形薄板框（3）上，使薄板框变形，而大口径平面光学元件的平面不变形。

6.利用权利要求1所述的大口径平面光学元件的夹具对大口径平面光学元件的装夹方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①将大口径平面光学元件（7）装入镜框（6）中，放上变形薄板框（3）；

②通过内六角圆柱头螺钉（4）和凸台（5），将大口径平面光学元件压板（1）与镜框（6）刚性连接；

③根据弹性支点（2）的间距要求，设定根据弹性支点（2）的分布结构，将多个弹性支点（2）安装在大口径平面光学元件压板（1）上，呈放松状态；

④将镜框（6）整体安装在旋转轴（8）和支架（9）上；

⑤通过旋转使安装后的镜框整体呈45°状态；

⑥调节弹性支点（2）的调节丝杆（2-2），使所述的大口径平面光学元件（7）的上表面与镜框（6）的接触面轻微接触即可。

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