CN103995340A - 一种工作于低温环境的折射棱镜柔性支撑结构 - Google Patents

Abstract

一种工作于低温环境的折射棱镜柔性支撑结构属于红外成像技术领域，目的在于解决现有技术存在的影响折射棱镜面形精度和无法满足折射棱镜相对位置精度的要求的问题。本发明包括柔性底座、支杆和柔性压板；柔性底座上表面安装有三处固定的底面衬垫，柔性底座上表面和柔性压板下表面一体加工有四处中心对称的底板小柔性环节和三处底板大柔性环节，柔性底座三个内侧面分别设置有凹槽，每个凹槽中设置有侧面定位单元，通过侧面定位单元实现对折射棱镜的侧面定位；两个侧面的侧面定位单元与柔性底座为固定连接，一个侧面的侧面定位单元与柔性底座为柔性连接；柔性底座通过三个支杆与柔性压板连接，实现对折射棱镜的柔性支撑。

Description

一种工作于低温环境的折射棱镜柔性支撑结构

技术领域

本发明属于红外成像技术领域，具体涉及的一种工作于低温环境的折射棱镜柔性支撑结构。

背景技术

作为天文望远镜焦面分系统中的重要部件，红外光谱成像仪可以对太空中的红外谱段的电磁波信息进行收集与记录，以便观测低温恒星与星云等暗目标，为天体物理学研究人员提供恒星与行星诞生的研究素材。通常构成红外光谱仪的基础元件有狭缝、光学反射镜、阶梯光栅、折射棱镜与红外焦面器件。由于所有温度高于绝对零度的物体都具有红外光谱辐射，因此红外焦面器件视场观测到的所有背景与光谱仪自身的结构都会产生噪声红外辐射。为了滤除上述电磁辐射噪声，实现红外光谱仪成像的高信噪比，需要对红外光谱成像仪的光机结构进行低温液氮冷却，并将整个结构保持在-173℃。所有的光机结构是在常温20℃环境下加工、装配、检测的，但当其工作时环境温度却要降低193℃，如此大范围的温度变化对光机结构的热稳定性提出了严苛的要求。要保证所有光学器件在低温冷却之后的相对位置精度与自身光学指标仍在设计允差范围内，所有结构零部件不因低温冷却发生结构破坏与失效，是进行低温红外光学结构设计的难点。其中色散棱镜作为折射光学器件，由于其自身的通光性要求，必须选用光学玻璃材料。而目前机械结构可选用的材料均无法实现在200℃变化范围内与光学玻璃材料热膨胀系数的一致性。因此设计合理的折射棱镜支撑结构，保证折射棱镜在低温冷却环境下的面形精度与相对位置精度是保证光谱仪成像质量的关键。

英文书籍《The Infrared&Electro-Optical Systems Handbook》中公开了一种名称为A semikinematic mounting for a right-angle prism(一种直角折射棱镜半运动学支撑结构)的技术方案。参见附图1，该支撑结构包括底板1、支撑凸台2、定位销3、压条4、直角棱镜5、棱镜上表面6、压板7、压紧螺钉8和橡胶垫9；在底板1上一体加工出三处共面的支撑凸台2来支撑直角棱镜5的下表面，约束棱镜的两个转动自由度与一个平动自由度。通过在底板1上安装三处定位销3与直角棱镜5的两个侧表面接触，约束另外的一个转动自由度与两个平动自由度。最后通过压条4与压板7提供两个方向的预紧力，保持棱镜表面与支撑凸台2和定位销3的接触，实现对直角棱镜5的半运动学约束安装。这种安装技术的缺点是：a)用于压紧棱镜上表面的弹性橡胶垫只能在常温下使用，在100K低温环境下会失效；b)压条靠机械接触实现对棱镜侧面的压紧，当棱镜遇冷尺寸收缩后压紧力会消失，棱镜无法定位。

发明内容

本发明的目的在于提出一种工作于低温环境的折射棱镜柔性支撑结构，解决现有技术存在的影响折射棱镜面形精度和无法满足折射棱镜相对位置精度的要求的问题。

为实现上述目的，本发明的一种工作于低温环境的折射棱镜柔性支撑结构包括柔性底座、支杆和柔性压板；

所述柔性底座上表面安装有三处固定的底面衬垫，同时一体加工有四处中心对称的底板小柔性环节和三处底板大柔性环节，所述每个底板大柔性环节和每个底板小柔性环节上粘接有柔性衬垫，所述柔性底座三个内侧面分别设置有凹槽，其中与折射棱镜的两个通光面相接触的两个侧面分别设置有两处凹槽，与非通光面接触的侧面设置有一处凹槽，所述每个凹槽中设置有侧面定位单元，通过所述侧面定位单元实现对折射棱镜的侧面定位；所述两个侧面的侧面定位单元与柔性底座为固定连接，一个侧面的侧面定位单元与柔性底座为柔性连接；

所述柔性压板下表面与柔性底座相对位置加工有四处中心对称的底板小柔性环节和三处底板大柔性环节；

所述柔性底座通过三个支杆与所述柔性压板连接，实现对折射棱镜的柔性支撑。

所述支杆与所述柔性底座螺纹连接，所述支杆通过柔性锁紧单元与所述柔性压板连接。

所述柔性锁紧单元包括依次设置在支杆上端露出部分的垫圈Ⅰ、顶面预紧弹簧、垫圈Ⅱ和预紧螺母，所述预紧螺母和所述支杆螺纹连接。

所述侧面定位单元包括侧面衬垫和压片，通过所述压片将所述侧面衬垫固定在所述柔性底座的凹槽中。

所述柔性底座一个侧面上的侧面定位单元中的侧面衬垫的内侧面通过侧面预紧弹簧与所述凹槽内侧面接触。

所述柔性衬垫为聚甲醛高分子材料。

所述底板小柔性环节和底板大柔性环节结构相同，所述底板小柔性环节包括圆柱形衬垫基体、柔性横梁和柔性纵梁；所述两个柔性横梁与两个柔性纵梁关于圆柱形衬垫基体旋转对称设置，所述圆柱形衬垫基体、柔性横梁和柔性纵梁与所述柔性底座为一体式结构。

所述柔性底座每个外侧面均设置有安装接口。

本发明的有益效果为：本发明的一种工作于低温环境的折射棱镜柔性支撑结构在柔性底座上安装有三个固定的底面衬垫，通过这三个共面的小平面，可约束折射棱镜的一个平动自由度与两个转动自由度。由三个顶面预紧弹簧预紧的柔性压板对折射棱镜提供了向下的预紧力，使折射棱镜的下表面与三处底面衬垫始终保持接触。三处通过压片安装于柔性底座的侧面衬垫可以约束折射棱镜的剩余两个平动自由度与一个转动自由度，从而将棱镜完全定位而没有过约束。通过一个侧面上带有侧面预紧弹簧的侧面衬垫对折射棱镜施加了水平方向的预紧力，从而使得三个侧面的侧面衬垫与折射棱镜的三个侧面始终保持接触。通过合理的设计侧面衬垫的厚度与选择合适的材料，实现对折射棱镜与柔性底座之间的热补偿，从而保证折射棱镜与柔性底座相对位置关系的稳定性。为了增加折射棱镜与支撑结构之间的热传导，减小棱镜在温度变化后的热平衡惯性，在柔性底座与柔性压板中均一体化加工有底板小柔性环节和底板大柔性环节，每处底板小柔性环节和底板大柔性环节通过旋转对称的两个柔性横梁与两个柔性纵梁与柔性底座连成一体并具有一定柔性。在每个底板小柔性环节和底板大柔性环节中间安装有一片柔性衬垫，与折射棱镜的上下表面分别接触，以增强棱镜的热传导面积。柔性环节的存在使得柔性衬垫相对于柔性底座具有一定的变形位移柔度，这就允许在低温冷却或升至室温时，柔性衬垫与棱镜的表面始终接触且不会对棱镜的安装引入过定位，保证了折射棱镜的安装定位精度与通光面的面形精度。

本发明的一种工作于低温环境的折射棱镜柔性支撑结构在实现对折射棱镜半运动学定位安装的同时，通过设计的预紧弹簧与侧面衬垫，保证了对棱镜的有效预紧与相对底座的位置精度，并通过在柔性底座和柔性压板中设计的柔性衬垫大大增加了棱镜的热传导能力，减小了棱镜的热惯性，有效地保证棱镜在大温度变化范围内较快实现热平衡的同时，面形精度与安装定位精度不超出光学设计的允差值，结构简单，加工方便，工作可靠，当使折射棱镜组件处于-173℃的低温冷却环境中时，仍能保证折射棱镜通光面的面形精度与相对位置安装精度在光学设计指标范围内，满足红外光谱仪成像要求，并减小折射棱镜支撑结构装配过程中的残余应力与低温冷却后的结构应力。

附图说明

图1为现有技术的一种直角棱镜半运动学支撑结构示意图；

图2为本发明的一种工作于低温环境的折射棱镜柔性支撑结构示意图；

图3为图2中添加折射棱镜后的结构示意图；

图4为图2中装配关系的爆炸示意图；

图5为图4的右视投影示意图；

图6为本发明的一种工作于低温环境的折射棱镜柔性支撑结构中柔性底座的正等测示意图；

图7为本发明的一种工作于低温环境的折射棱镜柔性支撑结构中柔性底座的俯视示意图；

其中：1、底板，2、支撑凸台，3、定位销，4、压条，5、直角棱镜，6、棱镜上表面，7、压板，8、压紧螺钉，9、橡胶垫，10、柔性底座，11、折射棱镜，12、支杆，13、柔性压板，14、压片，15、侧面衬垫，16、垫圈Ⅰ，17、顶面预紧弹簧，18、垫圈Ⅱ，19、预紧螺母，20、底面衬垫，21、柔性衬垫，22、安装接口，23、侧面预紧弹簧，24、底板小柔性环节，25、底板大柔性环节，26、柔性横梁，27、柔性纵梁。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

参见附图2和附图3，一种工作于低温环境的折射棱镜柔性支撑结构包括柔性底座10、支杆12和柔性压板13；

参见附图4、附图5、附图6和附图7所述柔性底座10上表面安装有三处固定的底面衬垫20，同时一体加工有四处中心对称的底板小柔性环节24和三处底板大柔性环节25，所述每个底板大柔性环节25和每个底板小柔性环节24上粘接有柔性衬垫21，所述柔性底座10三个内侧面分别设置有凹槽，其中与折射棱镜11的两个通光面相接触的两个侧面分别设置有两处凹槽，与非通光面接触的侧面设置有一处凹槽，所述每个凹槽中设置有侧面定位单元，通过所述侧面定位单元实现对折射棱镜11的侧面定位；所述一个长边侧面和一个短边侧面上的侧面定位单元与柔性底座10为固定连接，另一个长边侧面的侧面定位单元与柔性底座10为柔性连接；

所述柔性压板13下表面与柔性底座10相对位置加工有四处中心对称的底板小柔性环节24和三处底板大柔性环节25；

所述柔性底座10通过三个支杆12与所述柔性压板13连接，实现对折射棱镜11的柔性支撑。

所述支杆12与所述柔性底座10螺纹连接，所述支杆12通过柔性锁紧单元与所述柔性压板13连接。

所述柔性锁紧单元包括依次设置在支杆12上端露出部分的垫圈Ⅰ16、顶面预紧弹簧17、垫圈Ⅱ18和预紧螺母19，所述预紧螺母19和所述支杆12螺纹连接。

所述侧面定位单元包括侧面衬垫15和压片14，通过所述压片14将所述侧面衬垫15固定在所述柔性底座10的凹槽中。

所述柔性底座10一个侧面上的侧面定位单元中的侧面衬垫15的内侧面通过侧面预紧弹簧23与所述凹槽内侧面接触。

所述柔性衬垫21为聚甲醛高分子材料。

所述底板小柔性环节24和底板大柔性环节25结构相同，所述底板小柔性环节24包括圆柱形衬垫基体、柔性横梁26和柔性纵梁27；所述两个柔性横梁26与两个柔性纵梁27关于圆柱形衬垫基体旋转对称设置，所述圆柱形衬垫基体、柔性横梁26和柔性纵梁27与所述柔性底座10为一体式结构。

所述柔性底座10每个外侧面均设置有安装接口22。

折射棱镜11外形为五面体，高度为200mm，其水平截面形状为等腰三角形，三边长度为100mm×150mm×150mm，材料为红外石英玻璃。柔性底座10边缘厚度为25mm，中间的三角形腔底板厚度为15mm，材料为7079铝合金。在柔性底座10的外缘一体化加工有三处支耳状的安装接口22作为棱镜支撑组件结构的机械接口。安装接口22的尺寸为20mm×11mm×15mm，且每处均有能通过M6螺栓的通孔。在柔性底座10的三角形腔底板通过电火花线切割加工有三处底板大柔性环节25与四处底板小柔性环节24。每处底板大柔性环节25与底板小柔性环节24由中心的圆柱形衬垫基体与柔性横梁26、柔性纵梁27组成，并连成一体。每处柔性环节的两根宽度为1mm的柔性横梁26与两根宽度为1mm的柔性纵梁27分别提供了纵向与横向的柔度，每处底板大柔性环节25与底板小柔性环节24上都粘接有一片圆形的铟金属片用于与折射棱镜11接触以增大热传导。在柔性底座10上还固定有三处材料为聚酰亚胺的底面衬垫20，用于约束棱镜的一个平动自由度与两个转动自由度。该材料的选用同时可以减小底面衬垫与棱镜之间的摩擦系数，更有利于棱镜相对柔性底座10的自由热变形。在柔性底座10上安装有三处固定的侧面衬垫15与两处通过侧面预紧弹簧23预紧压在棱镜侧表面的侧面衬垫15，该衬垫选用聚甲醛高分子材料，以便于棱镜相对于衬垫的相对滑移变形并对铝质的柔性底座10与石英材料的折射棱镜11之间实现热补偿设计，保证棱镜的相对位置精度。在温度大范围变化时，五处侧面衬垫15实现了对折射棱镜11剩余两个平动自由度与一个转动自由度的约束，加上柔性底座10上的三处底面衬垫20，实现了对折射棱镜11六个刚体位移自由度的半运动学约束。三根支杆12尺寸为Ф10mm×230mm，材料为7079铝合金。其下端经过车削加工有螺纹，以便安装在柔性底座10，上端同样车削有螺纹用于安装垫圈16、顶面预紧弹簧17、垫圈18、预紧螺母19以实现柔性压板13对折射棱镜11的预紧力。通过旋拧预紧螺母19以实现预紧力的调整。柔性压板13厚度为15mm，材料为7079铝合金。在柔性压板13上通过电火花线切割加工同底板大柔性环节25与底板小柔性环节24形状完全相同的七处柔性环节，在每处底板大柔性环节25与底板小柔性环节24中心粘接有一片圆形的铟金属片用于与折射棱镜11接触以增大热传导。

Claims (8)

1.一种工作于低温环境的折射棱镜柔性支撑结构，其特征在于，包括柔性底座(10)、支杆(12)和柔性压板(13)；

所述柔性底座(10)上表面安装有三处固定的底面衬垫(20)，同时一体加工有四处中心对称的底板小柔性环节(24)和三处底板大柔性环节(25)，所述每个底板大柔性环节(25)和每个底板小柔性环节(24)上粘接有柔性衬垫(21)，所述柔性底座(10)三个内侧面分别设置有凹槽，其中与折射棱镜(11)的两个通光面相接触的两个侧面分别设置有两处凹槽，与非通光面接触的侧面设置有一处凹槽，所述每个凹槽中设置有侧面定位单元，通过所述侧面定位单元实现对折射棱镜(11)的侧面定位；所述两个侧面的侧面定位单元与柔性底座(10)为固定连接，一个侧面的侧面定位单元与柔性底座(10)为柔性连接；

所述柔性压板(13)下表面与柔性底座(10)相对位置加工有四处中心对称的底板小柔性环节(24)和三处底板大柔性环节(25)；

所述柔性底座(10)通过三个支杆(12)与所述柔性压板(13)连接，实现对折射棱镜(11)的柔性支撑。

2.根据权利要求1所述的一种工作于低温环境的折射棱镜柔性支撑结构，其特征在于，所述支杆(12)与所述柔性底座(10)螺纹连接，所述支杆(12)通过柔性锁紧单元与所述柔性压板(13)连接。

3.根据权利要求2所述的一种工作于低温环境的折射棱镜柔性支撑结构，其特征在于，所述柔性锁紧单元包括依次设置在支杆(12)上端露出部分的垫圈Ⅰ(16)、顶面预紧弹簧(17)、垫圈Ⅱ(18)和预紧螺母(19)，所述预紧螺母(19)和所述支杆(12)螺纹连接。

4.根据权利要求1所述的一种工作于低温环境的折射棱镜柔性支撑结构，其特征在于，所述侧面定位单元包括侧面衬垫(15)和压片(14)，通过所述压片(14)将所述侧面衬垫(15)固定在所述柔性底座(10)的凹槽中。

5.根据权利要求1或4所述的一种工作于低温环境的折射棱镜柔性支撑结构，其特征在于，所述柔性底座(10)一个侧面上的侧面定位单元中的侧面衬垫(15)的内侧面通过侧面预紧弹簧(23)与所述凹槽内侧面接触。

6.根据权利要求5所述的一种工作于低温环境的折射棱镜柔性支撑结构，其特征在于，所述柔性衬垫(21)为聚甲醛高分子材料。

7.根据权利要求1所述的一种工作于低温环境的折射棱镜柔性支撑结构，其特征在于，所述底板小柔性环节(24)和底板大柔性环节(25)结构相同，所述底板小柔性环节(24)包括圆柱形衬垫基体、柔性横梁(26)和柔性纵梁(27)；所述两个柔性横梁(26)与两个柔性纵梁(27)关于圆柱形衬垫基体旋转对称设置，所述圆柱形衬垫基体、柔性横梁(26)和柔性纵梁(27)与所述柔性底座(10)为一体式结构。

8.根据权利要求1所述的一种工作于低温环境的折射棱镜柔性支撑结构，其特征在于，所述柔性底座(10)每个外侧面均设置有安装接口(22)。