CN111983768B - 用于天文光谱仪的精密调节兼高稳定的镜筒结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于天文光谱仪的精密调节兼高稳定的镜筒结构。该镜筒结构包括镜筒和若干套调节机构，镜筒中设置有若干片透镜，每片透镜独立配备一套的调节机构，调节机构包括内镜室、平移机构、调节杆，内镜室的外侧具有环面，平移机构具有V形槽，环面可在V形槽内转动，内镜室外侧的环面与V形槽接触且相切，调节杆可拆卸、且可相对于镜筒和平移机构平动地安装在内镜室的侧壁上。本发明通过分离调节机构和调节驱动力，减小了镜筒的结构尺寸，外置装置可根据需要提供不同精度的调节驱动力；径向平移、轴向平移和三维倾斜调节机构相互独立，互不干涉，避免多个自由度误差解耦困难，影响调节精度和工作时长。
Description
技术领域
本发明属于光学仪器技术领域，具体涉及一种光学仪器的调节装置，特别涉及一种兼具精密调节和高稳定性的用于天文光谱仪的镜筒结构。
背景技术
透镜组是光学系统的实现形式，是光学仪器的核心组件，透镜组内各镜的中心偏移误差和倾斜误差直接影响光学系统的成像质量。天文光谱仪常使用中大口径透镜组作为仪器中的准直镜和相机，通光口径一般在直径100-300mm甚至更大，对透镜组中各镜的中心偏移误差和倾斜误差有着更严苛的技术要求。同时，高精度的天文光谱观测要求镜筒具备很高的机械稳定性，从而在长期观测中保持成像质量的稳定性。透镜组精密装调的核心技术问题是：透镜组内各镜的轴向间隔有限且不等，导致传统的多自由度透镜调节机构无法放置在有限的轴向空间中，易出现调节自由度减少、调节精度下降、调节与锁紧机构相干涉等结果。随着光学制造与检测技术的发展，镜筒结构有了更多方式来减小透镜组内各镜的中心偏移误差和倾斜误差。其中，多数镜筒结构以控制透镜组内各镜的中心偏移误差为主，能提供倾斜调节功能的较少，能提供平移和倾斜调节功能的更少。
中国专利(申请号：CN201910898711.8等)公开的透镜镜筒结构采用传统方式依靠透镜和镜室的加工精度来控制各镜装配的中心偏移误差和倾斜误差，由隔圈控制相邻透镜的轴向间隔。这种镜筒不提供任何透镜的平移和倾斜调节功能，适用于中小口径常规透镜组的装配，精度较低。
中国专利(申请号：CN201920938822.2、CN202010257829.5等)公开的透镜筒结构采用注塑成型工艺在各镜的通光口径外侧成形台阶来控制各镜的中心偏移误差和相邻两镜的轴向间隔，多用于小口径透镜组的批量化生产。这种镜筒结构虽然减少了零件数量和装配步骤，但不提供任何透镜的平移和倾斜调节功能，透镜组的装配精度只由制造工艺保证，不能满足中大口径透镜组的装配需要。
中国专利(申请号：CN201921561900.8)公开的一种透镜组定心装调方法，利用直通式镜筒作为定心装调的基准，各镜固定在独立镜室内，通过修磨各镜室外圈来控制各镜装配的中心偏移误差和倾斜误差，达到定心的效果。这种镜筒结构要求装配场所配置专用的定心车床辅助修磨镜室，且无法做到透镜组装配过程中的实时检测和修磨，工作效率较低。
中国专利(申请号：CN201821206369.8)公开了一种利用定心簧片和位移转换机构提供透镜的轴向位移和倾斜调节功能，不提供透镜的平移调节功能，且镜筒结构的轴向厚度因位移转换机构不可能做薄，不适用于存在两镜轴向间隔较小的透镜组。
中国专利(申请号：CN201520798459.0)公开了一种利用球头与球窝配合的镜筒结构，只提供透镜组的整体倾斜调节功能，不提供平移调节功能。这种镜筒结构适用于透镜组的系统光轴调节，不适用于对透镜组内各镜的独立调节。
中国专利(申请号：CN201911049120.X)公开了一种多自由度光轴调校装置，采用环面结构和凸台实现透镜组的整体倾斜和平移调节，但不提供轴向位移调节功能。这种镜筒结构使用平面弹簧为倾斜调节机构提供预紧力，但与锁紧机构存在一定干涉关系。
发明内容
本发明目的是为了解决透镜组精密装调的核心技术问题，提出一种镜筒结构，在有限的轴向空间中实现透镜组内各镜的六自由度精密调节和固定。该镜筒结构采用消热的透镜装夹、互不干涉的自由度调节、柔性预紧的倾斜调节和外置的调节驱动等措施，具有结构紧凑、高精度、多自由度、高机械稳定性、模块化、可配合光学检测进行实时调节的技术优点，可达到独立、精密调节透镜组各镜的技术要求。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
用于天文光谱仪的精密调节兼高稳定的镜筒结构，包括镜筒和若干套调节机构，所述镜筒中设置有若干片透镜，每片透镜独立配备一套所述的调节机构，所述调节机构包括内镜室、平移机构、调节杆，所述内镜室的外侧具有环面，单片透镜固定于内镜室内，内镜室安装在平移机构内，平移机构安装于镜筒内，所述平移机构具有V形槽，所述环面可在V形槽内转动，内镜室外侧的环面与V形槽接触且相切，所述调节杆可拆卸、且可相对于镜筒和平移机构平动地安装在内镜室的侧壁上，当外置的调节驱动力作用在调节杆上时，内镜室的环面可在V形槽内无间隙地三维倾斜。
更进一步的，所述环面为外凸的球形曲面，球心落在内镜室的中心轴上，当外置的调节驱动力作用在调节杆上时，内镜室的环面可在V形槽内绕所述环面的球心无间隙进行三维倾斜。
更进一步的，所述平移机构包括平移座和限位块，限位块安装在内镜室和平移座之间，所述平移座的一端设有圆锥面，另一端的限位块上设置有斜面，平移座的圆锥面和限位块的斜面组成所述V形槽，内镜室外侧的环面与平移座的圆锥面接触且相切，限位块的斜面与内镜室的环面接触且相切。
更进一步的，所述平移座采用刚性材料，用于定位，限位块采用弹性材质，用于限位。
更进一步的，所述V形槽或者仅限位块上施加有预紧力，消除V形槽与环面之间的间隙，产生环面倾斜运动的阻尼。
更进一步的，所述内镜室使用柔性结构配合弹性胶粘的方式固定透镜，柔性结构允许透镜沿径向有热变化引起的微量位移，弹性胶具有不同的热胀特性和变形特性。更进一步的，还包括可拆卸的平移块，所述平移块可相对于镜筒径向平动地作用在平移机构上，所述平移块在平移机构的圆周上对称设置。
更进一步的，所述透镜以消热装夹方式固定在内镜室内，形成一个刚体。
更进一步的，所述内镜室使用柔性结构配合弹性胶粘的方式固定透镜，柔性结构允许透镜沿径向有热变化引起的微量位移，弹性胶具有不同的热胀特性和变形特性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、分离调节机构和调节驱动力，镜筒内含调节机构，外置装置提供调节驱动力，由此减小镜筒的结构尺寸，外置装置可根据需要提供不同精度的调节驱动力。
2、径向平移(X,Y)、轴向平移(Z)和三维倾斜调节机构相互独立，互不干涉，避免调节机构干涉导致多个自由度误差解耦困难，影响调节精度和工作时长。
3、以消热装夹方式将透镜固定在内镜室内，降低透镜装夹应力导致光学面形变化，提高透镜及透镜组在使用和运输过程中的机械稳定性。
4、平移座和限位块采用不同材质制造，在外加预紧力条件下，可消除因加工误差导致平移座、限位块与内镜室之间的配合间隙。
5、内镜室外侧的环面在平移座和限位块组成的V形槽内转动，通过限位块对该组合结构施加一定的预紧力产生环面倾斜运动的阻尼，达到倾斜调节平顺、固定时无蠕变、固定后保持机械稳定性的目的。
附图说明
图1是本发明的镜筒结构的径向剖面图；
图2是本发明的镜筒结构沿图1中A-A方向的轴向剖面图。
图中标记：1、透镜；2、内镜室；3、平移座；4、限位块；5、隔圈；6、镜筒；7、调节杆；7-1、调节杆的安装方向；7-2、倾斜调节方向；7-3、旋转调节方向；8、压块；9、平移块；9-1、平移调节方向。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本实施例提供一种如图1-2所示的用于天文光谱仪的精密调节兼高稳定的镜筒结构。该镜筒结构包括镜筒6和若干套调节机构，镜筒6中设置有若干片透镜1，若干片透镜1依序组合，各透镜1之间的轴向间隔根据透镜1的尺寸确定，每片透镜1独立配备一套所述的调节机构。
其中，调节机构包括内镜室2、平移机构、调节杆7，内镜室2的外侧具有环面，为了减小内镜室旋转的阻力，该环面的表面应尽量光滑，优选的，该环面为外凸的球形曲面，球心落在内镜室的中心轴上。单片透镜1固定于内镜室2内，透镜1最好以消热装夹方式固定在内镜室2内，形成一个刚体，这样设置可以降低透镜装夹应力导致光学面形变化，提高透镜及透镜组在使用和运输过程中的机械稳定性。消热装夹方式的目的是消除热变化引起的应力，本实施例中，优选的消热装夹方式为，内镜室2使用柔性结构配合弹性胶粘的方式固定透镜1，柔性结构允许透镜1沿径向有热变化引起的微量位移，弹性胶具有不同的热胀特性和变形特性，可以减小或吸收热变化引起的应力。内镜室2安装在平移机构内，平移机构安装于镜筒6内，平移机构具有V形槽，环面可在V形槽内转动，内镜室2外侧的环面与V形槽接触且相切。调节杆7可拆卸、且可相对于镜筒6和平移机构平动(包括X向平动和Z向平动)地安装在内镜室2的侧壁上，当外置的调节驱动力作用在调节杆7上时，内镜室2的环面可在V形槽内绕环面的球心无间隙进行三维倾斜(包括在调节杆7的X向平动作用下旋转和在调节杆7的Z向平动作用下倾斜)。
本实施例的镜筒结构还可以包括厚度可调节的隔圈5，隔圈5设置于相邻调节机构的平移座3之间。
本实施例的镜筒结构还可以包括可拆卸的平移块9，平移块9可相对于镜筒6径向平动地作用在平移机构上，平移块9在平移机构的圆周上对称设置。
本实施例中，平移机构的优选结构包括平移座3和限位块4，限位块4安装在内镜室2和平移座3之间，平移座3的一端设有圆锥面，另一端的限位块4上设置有斜面，平移座3的圆锥面和限位块4的斜面组成所述V形槽，内镜室2外侧的环面与平移座3的圆锥面接触且相切，限位块4的斜面与内镜室2的环面接触且相切。本实施例中，所述平移座3和限位块4优选采用不同材质制造，即平移座3采用刚性材料，用于定位，限位块4采用弹性材质，用于限位，其刚柔材质组合可选用钢与铜的组合、钢与聚四氟乙烯组合等。在外加预紧力条件下，这种设置可消除因加工误差导致平移座、限位块与内镜室之间的配合间隙。
本实施例中，可在V形槽或者仅在限位块4上施加预紧力，产生环面倾斜运动的阻尼，通过对该组合结构施加适中的预紧力产生环面倾斜运动的阻尼，达到倾斜调节平顺、固定时无蠕变、固定后保持机械稳定性的目的。
本实施例还提供一种利用上述镜筒结构实现精密调节的调节方法，包括：
步骤1：将单片透镜1安装在独立的内镜室2内，最好以消热装夹方式固定，提高机械稳定性；内镜室2装入平移座3后，安装限位块4，内镜室2利用环面和V形槽可在一定角度范围内做绕环面球心的三维倾斜，该步骤中，可施加和调节在限位块4上的预紧力来调节内镜组2的环面进行绕球心运动时的阻尼，适中的预紧力有助于精密调节和避免固定时内镜室2因蠕动产生新的倾斜误差；平移座3按序装入镜筒6后，可在一定范围内做径向二维平移；隔圈5装入镜筒6，与平移座3接触，给定相邻透镜1的轴向间隔，可通过修磨隔圈5厚度来改变轴向间隔。
步骤2：单片透镜1的中心偏移调节：可拆卸的平移块9穿过镜筒6与平移座3的侧壁接触；外置的调节驱动力通过径向推动可拆卸的平移块9调节透镜1的中心偏移，如附图2中的平移调节方向9-1。多个可拆卸的平移块9在透镜1圆周上对称分布放置，在正交方向上调节透镜1的二维中心偏移。透镜1的中心偏移调节到位后，可通过固定平移座3提高机械稳定性。
步骤3：单片透镜1的三维倾斜调节：可拆卸的调节杆7依次穿过镜筒6和平移座3安装至内镜室2的侧壁上，如图2中的调节杆的安装方向7-1。外置的调节驱动力通过平移调节杆7调节透镜1的三维倾斜，如图1中的旋转调节方向7-3和图2中的倾斜调节方向7-2。优选的，多个可拆卸的调节杆7在透镜1圆周上对称分布放置，在正交方向上调节透镜1的三维倾斜。透镜1的倾斜调节到位后，可通过固定内镜室2提高机械稳定性。
步骤4：单片透镜1的轴向平移调节：在固定内镜室2和平移座3后，通过修磨或更换隔圈5，调节相邻的两片透镜1的轴向间隔。透镜1的轴向平移调节到位后，可通过固定隔圈5提高机械稳定性。固定后的隔圈5台面作为下一片透镜1的安装基准。
步骤5：重复步骤1-4，前一片透镜1的光轴作为下一片透镜1的调节基准，依序装调下一片透镜1及其配套结构，直至完成透镜组内各镜的装调步骤。在镜筒6外侧安装压块8，压住装有最后一片透镜1的平移座3，在轴向方向上固定整个透镜组，完成工作。
其中，步骤2和步骤3的顺序可互换，即可先操作步骤3、后操作步骤2，此时，需要先固定平移座3，再执行步骤2；其中，步骤1至步骤5执行完成后，可针对透镜组内任一片透镜1执行步骤3，此时，需要先松开内镜室2，调节后再固定。
该镜筒结构可在正交方向上调节透镜组内各镜的三维平移和三维倾斜，六个自由度的调节互不干涉，调节范围适中，锁紧不产生偏差，实际应用已验证：针对由7片直径200mm透镜组成的透镜组，该种镜筒结构可以达到平移调节精度小于等于20um、倾斜调节精度小于等于20角秒，镜筒整体运输1000公里无需重新调校，使用3年像质无明显退化。
综上所述，本发明的技术方案分离调节机构和调节驱动力，镜筒结构提供六自由度调节机构，不提供调节驱动力；外置调节驱动力来节约各镜的轴向空间；每个调节机构均设置锁紧结构保证机械稳定性。这种技术方案避免产生调节驱动力的相关装置(螺杆、弹簧等)对机械空间的需求，保证在有限的轴向空间内布置必要的调节机构。
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 (8)
1.用于天文光谱仪的精密调节兼高稳定的镜筒结构，其特征在于，包括镜筒(6)和若干套调节机构，所述镜筒(6)中设置有若干片透镜(1)，每片透镜(1)独立配备一套所述的调节机构，所述调节机构包括内镜室(2)、平移机构、调节杆(7)，所述内镜室(2)的外侧具有环面，单片透镜(1)固定于内镜室(2)内，内镜室(2)安装在平移机构内，平移机构安装于镜筒(6)内，所述平移机构具有V形槽，所述环面可在V形槽内转动，内镜室(2)外侧的环面与V形槽接触且相切，所述调节杆(7)可拆卸，且所述调节杆(7)可相对于镜筒(6)和平移机构平动地安装在内镜室(2)的侧壁上，当外置的调节驱动力作用在调节杆(7)上时，内镜室(2)的环面可在V形槽内无间隙地三维倾斜。
2.根据权利要求1所述的用于天文光谱仪的精密调节兼高稳定的镜筒结构，其特征在于，所述环面为外凸的球形曲面，球心落在内镜室的中心轴上，当外置的调节驱动力作用在调节杆(7)上时，内镜室(2)的环面可在V形槽内绕所述环面的球心无间隙进行三维倾斜。
3.根据权利要求1所述的用于天文光谱仪的精密调节兼高稳定的镜筒结构，其特征在于，所述平移机构包括平移座(3)和限位块(4)，限位块(4)安装在内镜室(2)和平移座(3)之间，所述平移座(3)的一端设有圆锥面，另一端的限位块(4)上设置有斜面，平移座(3)的圆锥面和限位块(4)的斜面组成所述V形槽，内镜室(2)外侧的环面与平移座(3)的圆锥面接触且相切，限位块(4)的斜面与内镜室(2)的环面接触且相切。
4.根据权利要求3所述的用于天文光谱仪的精密调节兼高稳定的镜筒结构，其特征在于，所述平移座(3)采用刚性材料，用于定位，限位块(4)采用弹性材质，用于限位。
5.根据权利要求3所述的用于天文光谱仪的精密调节兼高稳定的镜筒结构，其特征在于，所述V形槽或者仅限位块(4)上施加有预紧力，消除V形槽与环面之间的间隙，产生环面倾斜运动的阻尼。
6.根据权利要求1所述的用于天文光谱仪的精密调节兼高稳定的镜筒结构，其特征在于，还包括可拆卸的平移块(9)，所述平移块(9)可相对于镜筒(6)径向平动地作用在平移机构上，所述平移块(9)在平移机构的圆周上对称设置。
7.根据权利要求1所述的用于天文光谱仪的精密调节兼高稳定的镜筒结构，其特征在于，所述透镜(1)以消热装夹方式固定在内镜室(2)内，形成一个刚体。
8.根据权利要求7所述的用于天文光谱仪的精密调节兼高稳定的镜筒结构，其特征在于，所述内镜室(2)使用柔性结构配合弹性胶粘的方式固定透镜(1)，柔性结构允许透镜(1)沿径向有热变化引起的微量位移，弹性胶具有不同的热胀特性和变形特性。
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