CN111766675A - 大口径光学改正镜的支撑结构 - Google Patents

Abstract

一种大口径光学改正镜的支撑结构，包括：改正镜、支撑框、支撑组件、防护板，所述改正镜设置在所述支撑框上，所述支撑框用于支撑所述改正镜，所述支撑组件的数量为多个，均匀设置在所述改正镜的外周，用于粘接所述改正镜和连接所述支撑框，所述防护板设置在所述支撑框上方，用于保护所述改正镜。本申请提供的支撑结构不但能最大限度保证改正的位置精度和镜面面形精度，而且便于改正镜的维护，具有较高应用价值和创新性。

Description

大口径光学改正镜的支撑结构

技术领域

本申请涉及望远镜结构技术领域，尤指大口径光学改正镜的支撑结构。

背景技术

人类对于宇宙奥秘理解的重大进步，往往源于精确测量宇宙天体的能力的显著提高。随着加工制造技术的快速进步，望远镜作为天体观测的重要工具，在过去的一个世纪里，其口径越来越大，能够以越来越高的灵敏度来观测天体目标。此外，随着先进科学仪器的研制，如探测器、光谱仪、偏振计等，我们已经能够以越来越微妙的方式来解析望远镜所测量到的宇宙中天体所辐射的电磁波谱。这些观测数据提供了构建行星、恒星、星系、类星体和更大天体的物理模型以及探测暗物质和暗能量所需的详细信息。然而，现有的大多数天文学研究都集中在单个天体或宇宙源等小样本目标上，原因在于所采用的大型望远镜等观测设施的视场非常小，只能测量到宇宙中一小部分区域内的天体，这将无法在更为广泛的区域内进行宇宙学研究及未知天体的发现等工作。

为了开展大规模时域巡天、暗能量和暗物质探测、太阳物理研究、瞬态太空光学研究及银河系测量等工作，一台有效孔径足够大的地基大视场巡天望远镜是前提。目前，国外已研制了多台大视场巡天望远镜，如8.2m口径的昴星团望远镜(Subaru)、4米级多目标光谱望远镜(4MOST)、安装在4米望远镜Mayall上的宽视场暗能量光谱仪(DESI)、安装在4米望远镜Blanco的宽视场暗能量相机(DECam)、8.4米口径的大视场巡天望远镜LSST、大双筒望远镜(LBT)及6.5米口径的多镜面望远镜(MMT)。在这方面国内也开展了相关研究，已研制或正在研制的巡天望远镜包括：国家天文台兴隆观测站的4米级大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(LAMOST)，中科大与紫金山天文台正在研制的2.5米口径的大视场巡天望远镜(WFST)等。

对于暗能量和暗物质测量、时域巡天等天文学和物理学研究而言，光学测量系统主要的评价指标包括探测能力、探测视场和测量精度。为了保证光学系统的探测能力，光学系统口径及相对孔径均要足够大。此外，为了提高测量系统的目标搜索效率，系统光学视场要求足够大。由于目前阶段，超大尺寸探测器拼接难度非常大，这直接限制了光学系统的焦距和相对孔径。相对孔径越大所导致的光学系统轴上像差会急剧增加，而且系统光学视场增大所造成的彗差和像散等轴外像差的校正难度非常大。综合考虑当前国内外光学加工制造技术，如透射光学玻璃的制造、大口径反射镜支撑技术等，光学系统像差校正、以及设备制造成本等因素，对于2米级口径以上的大视场巡天望远镜而言，采用主焦点光学系统是非常理想的形式，其中心遮拦相对小，能量利用率相对高，在保证系统成像质量的前提下增大了系统光学视场。

主焦点形式的大视场巡天望远镜的工作原理如图1所示，由非球面的主反射镜和若干片透射式改正镜(改正镜组)构成，来自无穷远处目标的光束经过主镜反射后，进入透射式改正镜组完成各阶像差的校正，然后进入像面位置处的高灵敏度探测器靶面，实现光信号到电信号的转换，从而获得清晰的目标图像。

对于主焦点形式的巡天望远镜而言，光学系统视场较大，并且主镜反射的光线需要进入到改正镜组进行像差校正，再进入到探测器终端，因此改正镜组的通光口径随光学系统视场的增大而增大。如果改正镜组通光口径不够，则会造成系统成像终端出现渐晕，即边缘视场相对照度降低，这会影响系统探测能力。因此主焦形式光学系统中必然要采用口径相对较大的改正镜，例如LSST中最大改正镜直径为1.6米。

大视场巡天望远镜要实现预期的探测能力及测量精度，保证光学系统的成像质量是非常重要的，而改正镜相对位置精度及镜面面形精度是保证光学系统性能的前提。改正镜的位置和面形精度是通过其支撑结构来保证，因此改正镜支撑结构是影响望远镜系统性能最为关键的因素之一。然而，对于大口径光学改正镜来说，同时实现高位置精度和高面形精度的支撑结构设计难度非常大，原因在于以下四个方面：

(1)为保证改正镜通光口径范围内不遮拦，其支撑方式与反射镜不同，无法同时支撑镜体的底面和侧面，而仅能利用改正镜的边缘进行其支撑结构设计，这造成了改正镜受载面集中在边缘，受力状态恶劣；

(2)为了保证望远镜光学系统的性能并降低改正镜的透射波前误差，需要其支撑结构能够同时保证改正镜在各个工作姿态下两个镜面的面形精度，相比反射镜保证单个镜面的精度而言，改正镜的高精度支撑结构实现难度更大；

(3)为了保证望远镜光学系统的性能，保证各个改正镜之间的相对位置精度同样是关键，而改正镜位置精度的保证是通过其支撑结构来实现的。由于光学系统遮拦比的限制，改正镜的支撑结构仅能是内外圆被严格限定在一个狭窄的尺寸范围内的一个圆环形结构，在有限空间内设计高刚度的圆环形支撑结构是一个难点；

(4)在纳米级面形精度情况下，改正镜镜面对应力尤其是热应力非常敏感，为了适应环境温度的变化，要求改正镜的支撑结构在其热变形方向上具有足够的柔度，这又与高刚度要求之间相互矛盾，结构刚度与柔度的折中是一个难点。

对于改正镜/透镜支撑结构，目前主要采用压圈的方式，即直接将透镜放在镜座内，后端贴合在镜座上，前端用压圈压紧。这种压圈的方式仅适用于小口径的改正镜/透镜，优势是体积小，方便拆装。但是由于镜体整个端面贴合镜座上，镜座上细微的加工瑕疵都会对镜体造成很大的影响，由于机械加工能力的限制，这种方式很难应用在大口径改正镜上。

发明内容

鉴于此，有必要提供大口径光学改正镜的支撑结构，以使所述支撑结构不但能够最大限度保证改正镜的位置精度和镜面面形精度，而且便于改正镜的维护。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种大口径光学改正镜的支撑结构，包括：改正镜、支撑框、支撑组件、防护板，

所述改正镜设置在所述支撑框上，所述支撑框用于支撑所述改正镜，

所述支撑组件的数量为多个，均匀设置在所述改正镜的外周，用于粘接所述改正镜和连接所述支撑框，

所述防护板设置在所述支撑框上方，用于保护所述改正镜。

优选地，所述支撑框为薄壁环形金属构件，所述支撑框的上端面用于连接所述防护板，所述支撑框的下端面用于连接外部设备，所述支撑框的中间台阶端面用于安装所述支撑组件，所述支撑框的环形侧面上设置有用于粘接所述支撑框和所述改正镜的操作孔。

优选地，在所述支撑框环形侧面的所述操作孔旁还设置有所述改正镜的定位工装孔。

优选地，所述支撑组件包括固定座、铟钢粘接件、以及硅橡胶垫，所述铟钢粘接件包括粘接部和连接部，所述连接部与所述固定座通过螺钉连接固定，所述粘接部的一侧与所述连接部垂直连接，另一侧与所述硅橡胶垫粘接。

优选地，所述粘接部与所述硅橡胶垫粘接的表面为圆柱面，所述圆柱面的直径与所述改正镜的外圆直径相同。

优选地，所述粘接部上开设有若干个贯穿的注胶孔，通过所述注胶孔向所述粘接部与硅橡胶垫的粘接面点胶。

优选地，所述连接部与所述固定座之间设置所述球面垫片。

优选地，所述球面垫片包含上垫片和下垫片，所述上垫片与所述下垫片之间的接触面为球面。

优选地，所述固定座的下端面安装在所述支撑框的台阶端面上，上端面连接所述铟钢粘接件，所述固定座的中间部分设置为柔性薄片结构。

优选地，所述硅橡胶垫的厚度设计公式为：

式中，t_p为硅橡胶垫厚度，R为镜体外圆半径，α_b为支撑框材料热膨胀系数，α_L为镜体材料热膨胀系数，α_p为硅橡胶材料热膨胀系数。

本申请的有益效果在于，本申请的大口径光学改正镜的支撑结构，在改正镜的边缘处粘接多个离散的支撑组件，通过这些支撑组件将改正镜连接在一个圆形支撑框上构成支撑组件，多个离散形式的支撑组件使得支撑框与改正镜之间的相互作用仅发生在这些离散粘接位置，进而温度变化带来的热应力也仅发生在粘接位置附近的局部区域内，对整个镜面面形影响较小，此外，所提出的支撑结构具有多级应力补偿功能，能够使镜面在宽温度变化范围内，仍然保持良好的面形精度。另外，多个离散支撑组件整体具有足够的刚度来保证改正镜的位置精度。本申请的支撑结构容易拆卸，方便后期改正镜重新镀膜及维护。本申请提供的支撑结构不但能最大限度保证改正的位置精度和镜面面形精度，而且便于改正镜的维护，具有较高应用价值和创新性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请现有技术中主焦点望远镜工作原理示意图；

图2为本申请实施例提供的大口径光学改正镜的支撑结构示意图；

图3为本申请实施例提供的大口径光学改正镜的支撑结构的分解示意图；

图4为本申请实施例提供的支撑框的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的支撑组件的结构示意图；

图6为本申请多级热变形补偿原理图。

附图标记：

1、主镜；2、改正镜；3、改正镜组；4、探测器；5、大气层；

6、支撑框；7、支撑组件；8、防护板；9、操作孔；10、定位孔；

11、固定座；12、铟钢粘接件；13、硅橡胶垫；14、连接螺钉；

15、球面垫片；16、注胶孔。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1：

请参阅图2-3，本申请提供了一种大口径光学改正镜的支撑结构，包括：改正镜2、支撑框6、支撑组件7、防护板8，

其中支撑框6为支撑结构的基础，所述支撑组件7为多个且通过螺钉连接在所述支撑框6中间的台阶端面上，所述支撑组件7上端粘接在所述改正镜2外边缘，即所述改正镜2通过这些离散支撑组件7连接在所述支撑框6上，所述防护板8设置在所述支撑框6上方，用于保护所述改正镜2，防止发生脱胶等事故造成镜体破坏。

请参阅图4，所述支撑框6为薄壁环形金属构件，所述支撑框6的上端面用于连接所述防护板8，所述支撑框6的下端面用于连接外部设备，所述支撑框6的环形侧面上设置有用于粘接所述支撑框6和所述改正镜2的操作孔9。在所述支撑框6环形侧面的所述操作孔9旁还设置有所述改正镜2的定位工装孔10。

请参阅图5，所述支撑组件7包括固定座11、铟钢粘接件12、以及硅橡胶垫13，所述铟钢粘接件12包括粘接部和连接部，所述连接部与所述固定座通过连接螺钉14连接固定，所述粘接部的一侧与所述连接部垂直连接，另一侧与所述硅橡胶垫13粘接，所述硅橡胶垫13与所述改正镜2粘接。

具体的，所述铟钢粘接件12材料为铟钢，热膨胀系数与镜体材料接近，所述粘接部与所述硅橡胶垫13粘接的表面为圆柱面，所述圆柱面的直径与所述改正镜2的外圆直径相同。

所述的硅橡胶垫13两个面分别粘接在铟钢粘接件粘接部的圆柱面和改正镜的外圆面上，利用硅橡胶垫热膨胀系数大且弹性模量低的优点，来补偿一部分因支撑结构与改正镜2镜体的热膨胀系数不匹配而产生的热应力，以温度升高情况为例进行详细说明，温度降低的情况类似。如图6所示，当温度升高时，由于金属支撑框6材料的热膨胀系数高于改正镜2镜体材料的热膨胀系数，若支撑框6与改正镜2镜体均自由热膨胀，则会在支撑组件7上的铟钢粘接件12与改正镜2镜体之间出现缝隙，其中缝隙的大小与温度变化的大小及材料热膨胀系数差别大小直接相关，而硅橡胶垫13材料热膨胀系数高于支撑框6和改正镜2镜体材料，硅橡胶垫13的热变形量将大于支撑框6和改正镜2镜体，从而能够有效的减小铟钢粘接件12与改正镜2镜体之间的缝隙，进而减小热应力。硅橡胶垫13厚度按如下公式设计：

式中，t_p为硅橡胶垫厚度，R为镜体外圆半径，α_b为支撑框材料热膨胀系数，α_L为镜体材料热膨胀系数，α_p为硅橡胶材料热膨胀系数。

所述粘接部上开设有若干个贯穿的注胶孔16，通过所述注胶孔16向所述粘接部与硅橡胶垫13的粘接面点胶。

所述连接部与所述固定座11之间设置所述球面垫片15。所述球面垫片15包含上垫片和下垫片，所述上垫片与所述下垫片之间的接触面为球面。利用球面接触可以任意方向自由转动的优点，即球面垫片15上与铟钢粘接件12的接触面和与固定座11的接触面可以存在微量的倾斜角度而不引入装配应力，从而克服结构机械加工误差和装配误差的影响。

所述固定座11的下端面安装在所述支撑框6的台阶端面上，上端面连接所述铟钢粘接件12，所述固定座11的中间部分设置为柔性薄片结构。该结构设置使得在铟钢粘接件12的圆柱面径向上具有足够的柔性，以此柔度来补偿因支撑结构与改正镜2镜体材料热膨胀系数不匹配而引入的温度应力，另外这种柔性薄片在垂直于固定座11上下端面的方向上具有足够的刚度来支撑镜体载荷。

本申请的支撑结构具有多级热应力补偿功能。首先在每个离散支撑组件7上，与改正镜2镜面相粘接的位置有一层硬度非常高的硅橡胶垫13，由于金属支撑框6的热膨胀系数比改正镜2镜体热胀系数大，当温度变化时，会在支撑框6与改正镜2镜体之间产生温度应力，而利用硅橡胶热膨胀系数大的特点，可以通过设计硅橡胶垫13的厚度，补偿一部分因支撑框6与改正镜2镜体的热膨胀系数不匹配而产生的热应力。此外，在每个离散支撑组件下端的固定座11上，结构上设计为柔性薄片形式，在改正镜2镜体热变形方向上具有一定的柔度，同样能够补偿一部分热应力。通过上述两级热变形补偿，能够使改正镜2镜面在宽温度变化范围内，仍然保持面形精度。另外，每个支撑组件7下端固定座设计为柔性薄片形式，多个离散支撑组件7整体仍具有足够的刚度来保证改正镜的位置精度。此外，本申请的支撑结构能够使改正镜2非常容易与镜座分离，方便后期改正镜重新镀膜及维护。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种大口径光学改正镜的支撑结构，其特征在于，包括：

改正镜、支撑框、支撑组件、防护板，

所述改正镜设置在所述支撑框上，所述支撑框用于支撑所述改正镜，

所述支撑组件的数量为多个，均匀设置在所述改正镜的外周，用于粘接所述改正镜和连接所述支撑框，所述防护板设置在所述支撑框上方，用于保护所述改正镜。

2.根据权利要求1所述的一种大口径光学改正镜的支撑结构，其特征在于，所述支撑框为薄壁环形金属构件，所述支撑框的上端面用于连接所述防护板，所述支撑框的下端面用于连接外部设备，所述支撑框的中间台阶端面用于安装所述支撑组件，所述支撑框的环形侧面上设置有用于粘接所述支撑框和所述改正镜的操作孔。

3.根据权利要求2所述的一种大口径光学改正镜的支撑结构构，其特征在于，在所述支撑框环形侧面的所述操作孔旁还设置有所述改正镜的定位工装孔。

4.根据权利要求1所述的一种大口径光学改正镜的支撑结构，其特征在于，所述支撑组件包括固定座、铟钢粘接件、以及硅橡胶垫，所述铟钢粘接件包括粘接部和连接部，所述连接部与所述固定座通过螺钉连接固定，所述粘接部的一侧与所述连接部垂直连接，另一侧与所述硅橡胶垫粘接。

5.根据权利要求4所述的一种大口径光学改正镜的支撑结构，其特征在于，所述粘接部与所述硅橡胶垫粘接的表面为圆柱面，所述圆柱面的直径与所述改正镜的外圆直径相同。

6.根据权利要求5所述的一种大口径光学改正镜的支撑结构，其特征在于，所述粘接部上开设有若干个贯穿的注胶孔，通过所述注胶孔向所述粘接部与硅橡胶垫的粘接面点胶。

7.根据权利要求3所述的一种大口径光学改正镜的支撑结构，其特征在于，所述连接部与所述固定座之间设置所述球面垫片。

8.根据权利要求7所述的一种大口径光学改正镜的支撑结构，其特征在于，所述球面垫片包含上垫片和下垫片，所述上垫片与所述下垫片之间的接触面为球面。

9.根据权利要求4所述的一种大口径光学改正镜的支撑结构，其特征在于，所述固定座的下端面安装在所述支撑框的台阶端面上，上端面连接所述铟钢粘接件，所述固定座的中间部分设置为柔性薄片结构。

10.根据权利要求4所述的一种大口径光学改正镜的支撑结构，其特征在于，所述硅橡胶垫的厚度设计公式为：

式中，t_p为硅橡胶垫厚度，R为镜体外圆半径，α_b为支撑框材料热膨胀系数，α_L为镜体材料热膨胀系数，α_p为硅橡胶材料热膨胀系数。

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