CN109738977B - 大偏离量非球面镜的预应力加载结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大偏离量非球面镜的预应力加载结构，包括用于支撑的立柱，与所述立柱可拆卸安装的基板；其特征在于：所述基板上表面为规则的球面；还包括与所述基板上表面贴合接触的厚度一致的弹性垫板；与弹性垫板贴合接触的非球面镜；圆周均布固设于非球面镜的背面靠近边缘的镜垫；固定于所述镜垫可施加载荷的加载杆；在所述非球面镜与所述弹性垫板装配时，所述基板外侧圆周均布设置能使非球面镜背面的镜垫与加载杆的连接体下沉的安装槽；所述非球面镜与所述基板同轴心安装。本发明能有效满足较大范围厚度、大偏离量非球面镜加工时预应力加载的需要，有效提高使用的互换性，降低企业生产制造成本，提高企业生产效率和经济效益。

Description

大偏离量非球面镜的预应力加载结构

技术领域

本发明属于非球面体加工技术领域，更具体地说，是涉及一种大偏离量非球面镜的预应力加载结构。

背景技术

非球面用于描述与球面和平面不同的表面，在光学系统设计中通常会指向抛物面、一般二次曲面、高次表面等。偏离量是指非球面一般存在一个最接近球面，偏离量是指沿着表面法向，非球面各点偏离其最接近球面的距离，可约定沿法向为正，否则为负。在非球面加工使用过程中，非球面的表面修形精度从最初的mm级精度，到最终的nm级精度，一般包含机械铣磨、光学研磨、粗抛光、精抛光、末端修形等过程。

近几十年来，一系列巨大型望远镜普遍使用10-40米量级的非球面反射镜。由于制造单体式巨型非球面的难度大、风险高、工期长，这些项目无一例外地采用了基于离轴非球面子镜拼接大型主镜的技术路线。如地基三十望远镜TMT的主镜由492块对角线长1.44m正六边形离轴子镜组成；哈勃太空望远镜HST继任者的詹姆斯韦伯空间望远镜JWST的主镜是由18块直径1.5m的正六边形子镜组成。

上述离轴非球面子镜可以看作是同轴母镜的一部分，其面形可以在母镜非球面参数基础上增加离轴量进行描述，其中离轴量相同的子镜群为一组相同或接近的离轴非球面。因此，超大型非球面主镜的加工演变成系列化离轴子镜的加工。为提高制造效率和精度，这些子镜的光学制造均用到了预应力加工技术。

预应力加工技术是利用基于弹性力学原理的一种非球面加工技术，要点是根据表面方程，拟合出最接近球面，算出偏离量分布S＝Sas-Ss，然后对薄板型镜坯施加外载，形成反向偏离量-S，将薄板加工成最接近球面，释放外力，镜体回弹S，形成非球面Sas＝S+Ss。

现有的预应力加工技术通常针对1.5m口径偏离量0.2mm以内的离轴非球面进行。使镜坯产生反向偏离量的加载结构，可以归纳为两种类型：(1)侧边外延式，一般采用机械式驱动力，以美国凯克(KECK)和欧洲极大望远镜(E-ELT)为应用典型；(2)背部隐藏式，如美国廷斯利实验室(Tinsley Lab)和南京天光所采用技术方案，为节约空间一般采用气动/液压式或机械应力盘式，以美国三十米望远镜(TMT)、欧洲甚大望远镜(VLT)项目和国内南京天光所和成都光电所为应用典型。

然而，为了使得光学系统结构更加紧凑轻便、或基于像质提升方面的考虑，近年来人们不断设计F数更小的望远镜系统。这些系统中的非球面反射镜一般比较陡峭，面形偏离最接近球面的幅值最大可到数mm量级，比现存工程项目中的子镜大了1-2个数量级。这种量级变化会引起预应力幅值也呈现出跨量级的变化，极易引起镜体的断裂。为了降低加载结构造成的预应力幅值，通常需要设计更薄的镜体，使其在较低应力水平下可实现较大幅值的变形。

对应地，当镜厚小于10mm时，上述两种类型的加载结构面临各自的局限性：侧边外延式使得光机结构件粘接难度增大，不具有工程应用价值；而背部隐藏式，目前只适用于小偏离量面形误差的校正效果，对于偏离量较大的情况，镜体背部的有限空间不能满足产生所需的弯曲载荷。

综上所述，目前现有技术对非球面镜的加工不管是采用侧边外延式，还是背部隐藏式均存在使用局限性，互换性差的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大偏离量非球面镜的预应力加载结构，以解决现有技术中非球面镜加工装置存在的局限性，提高加工装置使用互换性的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种大偏离量非球面镜的预应力加载结构，包括用于支撑的立柱，与所述立柱可拆卸安装的基板；所述基板上表面为规则的球面；还包括与所述基板上表面贴合接触的厚度一致的弹性垫板；与弹性垫板贴合接触的非球面镜；圆周均布固设于非球面镜的背面靠近边缘的镜垫；固定于所述镜垫可施加载荷的加载杆；在所述非球面镜与所述弹性垫板装配时，所述基板外侧圆周均布设置能使非球面镜背面的镜垫与加载杆的连接体下沉的安装槽；所述非球面镜与所述基板同轴心安装。

优选地，所述加载杆上还套装有周向限位块，所述周向限位块与所述安装槽配合连接实现对非球面镜周向限位。

优选地，所述基板的外侧圆周还均布固定连接多个径向限位块，所述径向限位块的内侧面与非球面镜的外侧面间隙配合。

优选地，在某一实施方式中，所述加载杆上设置至少一个用于施加载荷的加载孔。

优选地，在某一实施方式中，所述加载孔的两端口分别设置成锥形口。

优选地，在某一实施方式中，所述镜垫与所述非球面镜的背面通过粘接固定连接。

优选地，在某一实施方式中，所述镜垫设置通孔，所述非球面镜设置螺纹孔，使用螺栓穿过镜垫上的通孔与非球面镜螺纹孔固定连接。

优选地，在某一实施方式中，所述立柱的两端分别设置左旋螺纹、右旋螺纹，所述立柱中部设置适于扳手卡扣的六棱柱。

优选地，在某一实施方式中，所述弹性垫板与基板使用胶水粘接。

优选地，在某一实施方式中，所述弹性垫板与基本通过螺栓固定连接。

本发明提供的大偏离量非球面镜的预应力加载结构的有益效果在于：与现有技术相比，本发明大偏离量非球面镜的预应力加载结构具有以下有益效果：本发明能有效满足较大范围厚度非球面镜加工时预应力加载的需要，有效提高使用的通用性和互换性，降低企业生产制造成本，提高企业生产效率和经济效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的大偏离量非球面镜的预应力加载结构的俯视示意图；

图2为本发明实施例提供的大偏离量非球面镜的预应力加载结构的图1的A-A剖视示意；

图3为本发明实施例提供的大偏离量非球面镜的预应力加载结构的左视示意图；

图4为本发明实施例提供的大偏离量非球面镜的预应力加载结构的立柱主视示意图；

图5为本发明实施例提供的大偏离量非球面镜的预应力加载结构的加载杆进行载荷加载示意图；

其中，图中各附图标记：

1-立柱；2-基板；3-弹性垫板；4-非球面镜；5-镜垫；6-加载杆；7-安装槽；8-径向限位块；9-加载孔；10-右旋螺纹；11-左旋螺纹；12-六棱柱；13-周向限位块

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

请一并参阅附图1至附图3，现对本发明提供的大偏离量非球面镜的预应力加载结构进行说明。所述大偏离量非球面镜的预应力加载结构，包括用于支撑的立柱1，与立柱1可拆卸安装的基板2；基板2的上表面为规则的球面；还包括与基板2上表面贴合接触的厚度一致的弹性垫板3；与弹性垫板3贴合接触的非球面镜4；圆周均布固设于非球面镜4的背面靠近边缘的镜垫5；固定于镜垫5上可施加载荷的加载杆6；在非球面镜4与弹性垫板3装配时，基板2外侧圆周均布设置能使非球面镜4背面的镜垫5与加载杆6的连接体下沉的安装槽7；且在装配过程中确保非球面镜4与基板2同轴心安装。

本发明提供的大偏离量非球面镜的预应力加载结构，与现有技术相比。本发明由于非球面镜4的背面是与厚度一致的弹性垫板3接触连接，同时弹性垫板3是与上表面为规则的球面的基板2贴合接触；当非球面镜4在加工载荷的作用下，由于在弹性垫板3的弹性支撑下，可在一定程度上抑制加工载荷造成的镜面变形。通过在非球面镜4的背面靠近边缘圆周均布固定连接的镜垫5，并通过固定于镜垫5上的加载杆6施加载荷，使得加载更便于操作和实施，有效提高使用的通用性和互换性。同时，通过非球面镜4背面的镜垫5与加载杆6与基板2上设置的安装槽7配合连接，将有效提高非球面镜4与基板2的配合安装的同轴度，进一步保证加工质量的生产效率；有效满足较大范围厚度、口径的非球面镜预应力加载要求。

进一步地，请一并参阅附图1至附图3，作为本发明提供的大偏离量非球面镜的预应力加载结构的一种具体实施方式，为了进一步提高非球面镜4与基板2的安装同轴心度，具体实施中，选定三个相互夹角为120°的加载杆6，分别将周向限位块13穿过加载杆6，使周向限位块13沿着加载杆6滑动，使其缓慢塞入基板2的安装槽7内，由于周向限位块13与安装槽7的间隙比较小，通过周向限位块13与安装槽7的配合安装，将有效调整非球面镜4与基板2的同轴度。

进一步地，请一并参阅附图1至附图3，作为本发明提供的大偏离量非球面镜的预应力加载结构的一种具体实施方式，为了进一步提高非球面镜4与基板2的安装同轴心度，具体实施中在在基板2的外侧圆周还均布固定连接多个径向限位块8，径向限位块8的内侧面与非球面镜4的外侧面间隙配合。具体实施中在基板2外侧圆柱面的圆周上均布设置螺纹安装孔，使的安装螺纹孔的轴心均在同一水平高度上，在径向限位块8上设置安装通孔，使用螺栓穿过径向限位块8上的通孔与基板2上的螺纹安装孔紧配合连接，将径向限位块8固定在基板2上。使得在装配时非球面镜4的外侧与径向限位块8间隙配合，具体间隙的大小可根据非球面镜4的厚度，需要加载的预应力大小和产生的形变量进行确定。同时，为了进一步提高限位精度，避免对非球面镜4的外侧造成损伤，在径向限位块8的内侧面还固设有橡皮。

为了满足不同的载荷的加载要求，提高加载杆6使用的通用性和互换性，便于批量化生产，具体实施中将在加载杆6上设置至少一个用于施加载荷的加载孔9；本发明具体实施中设置了两个加载孔9。同时，为了进一步减小力臂误差，提高载荷的加载的精度，将加载孔9的两端口分别设置成同轴心的锥形口。使得在实施载荷加载时能有效找准加载的力矩，降低对加力执行结构的位移精度要求。

进一步地，请一并参阅图1至图3，作为本发明提供的大偏离量非球面镜的预应力加载结构的一种具体实施方式，

为了进一步提高生产效率，具体实施中镜垫5通过粘接与非球面镜4的背面固定连接。或在某一实施方式中在镜垫5上设置通孔，在非球面镜4设置螺纹孔，使用螺栓穿过镜垫5上的通孔与非球面镜4螺纹孔固定连接；采用螺栓连接方式中需要注意避免应力集中。同时，上述镜垫5与非球面镜4的粘接面积可以根据加载幅度的大小进行确定，进一步降低粘接区力，提高加载可靠性和安全性。

进一步地，作为本发明提供的大偏离量非球面镜的预应力加载结构的一种具体实施方式，为了降低装配时间，进一步提高生产效率，将镜垫5与加载杆6一体成型，装配安装时只需要将镜垫5与非球面镜4的背面连接即可，不要对加载杆6进行安装。

进一步地，请参阅4，作为本发明提供的大偏离量非球面镜的预应力加载结构的一种具体实施方式，在立柱1的两端分别设置右旋螺纹10、左旋螺纹11，并在立柱1中部设置适于扳手卡扣的六棱柱12。通过使用扳手等工具与六棱柱12配合，将方便实现对基板2的调平，提高安装效率，以及加工质量。

进一步地，请一并参阅图1至图3，作为本发明提供的大偏离量非球面镜的预应力加载结构的一种具体实施方式，为了有效保证非球面镜4载荷加载的需要的形变要求，具体实施中弹性垫板3采用弹性模量小于镜体和基板材料弹性模量10％的弹性垫板，本发明具体实施中采用弹性垫板。

进一步地，请一并参阅图1至图3，作为本发明提供的大偏离量非球面镜的预应力加载结构的一种具体实施方式，为了进一步提高生产效率，在某一实施方式中将弹性垫板3与基板2使用胶水粘接；或将弹性垫板与基本2通过螺栓固定连接，目的在于将弹性垫板3与基板2实现筒轴心固定连接。因基板2的上表面为规则的球面，弹性垫板3的厚度是一致的，当弹性垫板3的下表面与基板2的上表面完全贴合接触时，弹性垫板3的上表面也将是规则的球面，将利于在将非球面镜4进行安装时实现非球面镜4的完全贴合安装；使得非球面镜4可以产生大多数加载结构无法产生的球差形式变形。具体实施中弹性垫板3采用易变形的工程材料，推荐其弹性模量小于非球面镜4镜体弹性模量和基板2材料弹性模量的10％。

如附图5所示，本发明对第i个加载杆6上不同位置的两个加载孔9施加设计载荷Mi、Vi，使反射镜产生所需要的反向偏离量。不同位置的两个加载孔9的具体载荷施加可以按以下二式求解

V_io+V_ii＝V_i

V_ioL_io+V_iiL_ii＝M_i

将上述完成预应力加载的非球面镜4定位安装至机床台面，即可进行光学加工。当加工达到指定精度时，卸除加载孔9的外载，拆下径向限位块7，取下非球面镜4，根据需要切除非球面镜4上的镜垫5既完成对非球面镜4的加工。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.大偏离量非球面镜的预应力加载结构，包括用于支撑的立柱，与所述立柱可拆卸安装的基板；其特征在于：所述基板上表面为规则的球面；

还包括与所述基板上表面贴合接触的厚度一致的弹性垫板，向非球面镜提供均布压强支撑，用于产生球差形式的变形；

与弹性垫板贴合接触的非球面镜；

圆周均布固设于非球面镜的背面靠近边缘的镜垫；

固定于所述镜垫可施加载荷的加载杆；

在所述非球面镜与所述弹性垫板装配时，所述基板外侧圆周均布设置能使非球面镜背面的镜垫与加载杆的连接体下沉的安装槽；

所述非球面镜与所述基板同轴心安装；

所述加载杆上还套装有周向限位块，所述周向限位块与所述安装槽配合连接实现对非球面镜周向限位；

所述基板的外侧圆周还均布固定连接多个径向限位块，所述径向限位块的内侧面与非球面镜的外侧面；

所述加载杆上设置至少一个用于施加载荷的加载孔。

2.如权利要求1所述的大偏离量非球面镜的预应力加载结构，其特征在于：所述加载孔的两端口分别设置成锥形口。

3.如权利要求1所述的大偏离量非球面镜的预应力加载结构，其特征在于：所述镜垫与所述非球面镜的背面通过粘接固定连接。

4.如权利要求1所述的大偏离量非球面镜的预应力加载结构，其特征在于：所述镜垫设置通孔，所述非球面镜设置螺纹孔，使用螺栓穿过镜垫上的通孔与非球面镜螺纹孔固定连接。

5.如权利要求1所述的大偏离量非球面镜的预应力加载结构，其特征在于：所述镜垫与所述加载杆一体成型。

6.如权利要求1所述的大偏离量非球面镜的预应力加载结构，其特征在于：所述立柱的两端分别设置左旋螺纹、右旋螺纹，所述立柱中部设置适于扳手卡扣的六棱柱。

7.如权利要求1所述的大偏离量非球面镜的预应力加载结构，其特征在于：所述弹性垫板与基板使用胶水粘接；或所述弹性垫板与基板通过螺栓固定连接。

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