CN112068275A - 一种光学元件背部柔性支撑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于精密光机设计技术领域，公开了一种光学元件背部柔性支撑结构，其包括安装基座和柔性支撑，柔性支撑底部连接安装基座，柔性支撑上方设置光学元件；柔性支撑上设置有若干个柔性单元，每个柔性单元包括两个弧形贯通槽，两个弧形贯通槽相对布置且之间通过一组薄壁结构隔开，形成一个中间为圆柱体、外围为两个弧形贯通槽的柔性结构；一组薄壁结构包括两片薄壁体，两片薄壁体所在平面与穿过其所在柔性单元中心的柔性支撑的半径垂直。本发明结构形式简单，易于加工，可极大提升被支撑光学元件的温度适应性，并降低由于结构件表面平整度差等原因导致的光学元件装配应力。

Description

一种光学元件背部柔性支撑结构
技术领域
本发明属于精密光机设计技术领域，涉及一种用于隔离光机热变形与装配应力的光学元件背部柔性支撑结构。
背景技术
随着现代战场与民用领域对光电载荷成像质量的要求逐步提高，机载光电产品对其内部光学系统在振动与高低温下的稳定性的要求也相应提升。为保证光学系统具有良好的抵抗外部振动的能力，光学元件应具有足够的支承刚度；而为了减小系统环境温度变化给光学元件带来的热应力，光学元件支承结构又必须具有一定的柔性以释放热变形，从而保证在高低温环境下系统的光学系能。因此，近些年来，能够同时满足以上两个需求的柔性支承结构被越来越多的用于光学元件的支承结构中。
申请号为201611079002.X，名称为“平面反射镜柔性支撑机构”公开了一种用于平面反射镜的柔性支撑结构，实现了在不过约束的前提下完全约束被支承反射镜所有自由度的作用。该支撑机构分别利用薄膜结构与多个高长径比的细长杆的组合约束不同的反射镜自由度，实现固定反射镜，同时释放热变形的目的。
申请号为201811175600.6，名称为“具有柔性安装结构的分体式金属反射镜及角度自适应调节方法”公开了一种柔性安装结构的分体式金属反射镜及角度自适应调节方法，利用S型的柔性结构与加工在金属反射镜侧壁上的卸荷槽，降低了装配应力对镜体面型的影响。
申请号为201611238958.X，名称为“一种矩形离轴金属反射镜的一体化柔性支撑结构”公开了一种用于支撑反射镜的一体化柔性支撑结构。专利中所述的柔性结构包含三个由线切割形成的薄壁结构，适当布置薄壁结构的数量与相对位置，释放了部分自由度，从而实现了隔离装配应力与热应力的优异效果。
申请号为201710398338.0，名称为“一种轻型反射镜柔性支撑装置”公开了一种反射镜的柔性支撑结构。该专利所述的柔性支撑结构具有两个相交串联布置，分别提供切向与径向柔性，三个柔性支撑结构圆周均布，为反射镜提供支撑的同时降低外部热载荷与应力应变对反射镜面型的影响。
申请号为201210312857.8，名称为“光学透镜高精度支撑结构”公开了一种高精度透镜支撑结构，该专利利用圆周均布的若干弹性薄片固定透镜。利用弹性薄片的挠性变形，释放镜片的热变形，同时隔离外部支撑结构的热变形，实现光学透镜的高精度无热化支撑。
专利号为US 2009/0147229 A1的专利，公开了一种用于光学元件支撑的柔性结构，该结构利用多个柔性薄壁结构(弹簧片)的适当组合，释放了被支承光学元件的热变形，隔离了装配应力对光学元件的影响。
以上专利所述的支撑结构，能够有效降低热应力与装配应力对光学元件的影响，但存在结构复杂装调相对烦琐的问题。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：提供一种光学元件背部柔性支撑结构，以降低光机结构装调与使用过程中装配应力与热应力对光学器件的影响。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种光学元件背部柔性支撑结构，它包括安装基座1和柔性支撑2，柔性支撑2底部连接安装基座1，柔性支撑2上方设置光学元件4；柔性支撑2上设置有若干个柔性单元，每个柔性单元包括两个弧形贯通槽，两个弧形贯通槽相对布置且之间通过一组薄壁结构隔开，形成一个中间为圆柱体、外围为两个弧形贯通槽的柔性结构；一组薄壁结构包括两片薄壁体，两片薄壁体所在平面与穿过其所在柔性单元中心的柔性支撑2的半径垂直。
柔性支撑结构中，还可选择性设置一个过渡件3，过渡件3底部安装在柔性结构的圆柱体上，顶部安装光学元件4。柔性支撑2和安装基座1之间、柔性支撑2和过渡件3之间均可通过螺钉连接。
基于上述两种结构，光学元件4可直接粘接于薄壁结构上，也可在圆柱体中心开设贯通孔，通过螺钉连接过渡件3，过渡件3与被支承光学元件4的热膨胀系数适应性更好，且能提供更大的粘接面积。然后再将光学元件4粘接固定在过渡件3上。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的光学元件背部柔性支撑结构，通过组合使用多个在不同方向上具有显著刚度差异的柔性结构实现以下两个效果：一是保证光学元件支撑结构能够完全限制被支撑件的所有自由度且具有足够的支撑刚度；二是利用柔性结构的自身变形来释放热应力与装配应力。
附图说明
图1为光学元件背部柔性支撑结构的一种应用形式的结构示意图。
图2为图1中柔性支撑的结构示意图，a图为正视图，b图为轴侧图。
图3为光学元件背部柔性支撑结构的另一种应用形式的结构示意图。
图4为图3中柔性支撑的结构示意图，a图为正视图，b图为轴侧图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
如图1所示，光学元件背部柔性支撑结构包括安装基座1、柔性支撑2、过渡件3与光学元件4。柔性支撑2一侧与光学元件4的安装基座1相连，另一侧与过渡件3相连，光学元件4粘接在过渡件3上。过渡件3具有与光学元件4接近的热膨胀系数，过渡件3的热膨胀系数不超过光学元件4热膨胀系数的两倍，如一种合适的组合为光学元件3采用石英材料，过渡件3采用铟钢4J32。
如图2所示，左侧为所述的柔性支撑2的正视图，右侧为其轴侧图。所述的柔性支撑2上设计有3个柔性单元，每个柔性单元包含两个相对布置的贯通槽2-2、一组薄壁结构2-1、用于连接安装基座1的第一连接孔2-3以及用于连接过渡件3的第二连接孔2-4。一方面，当光学元件4或安装基座1由于环境温度变化而发生热变形时，薄壁结构2-1的柔性变形能够显著降低支撑结构施加在光学元件上的约束力；另一方面，由于薄壁结构2-1允许贯通槽2-2内部结构绕柔性旋转轴A-A轴小角度转动，因此所述的柔性支撑结构能够使其安装面适应光学元件安装面的实际形状，从而降低装配应力对光学元件的影响，其中，柔性旋转轴A-A位于薄壁结构中面上，且通过薄壁结构高度方向中点的。所述的三个柔性单元同时作用，能够将被支承光学元件的6个自由度完全限制，并具有足够的刚度，保证光学元件在振动环境下不发生刚体位移。
安装基座1上开设有第三连接孔，第三连接孔为沉头光孔，第一连接孔2-3为螺纹孔，沉头螺钉由下至上依次穿过第三连接孔和第一连接孔2-3，将安装基座1和柔性支撑2连接。
过渡件3上开设有第四连接孔，第四连接孔为螺纹孔，第二连接孔2-4为沉头光孔，沉头螺钉由下至上依次穿过第二连接孔2-4和第四连接孔，将柔性支撑2和过渡件3连接。
所述的柔性支撑2应采用疲劳极限高的材料以提高其使用寿命，如钛合金，可通过线切割进行柔性薄壁的成型加工。
图3、图4为所述的背部柔性支撑结构的另一种应用形式。在此，去掉了过渡件3，直接将光学元件4粘接在柔性支撑2上，进一步降低了结构复杂性。由上述技术方案可以看出，本发明柔性支撑结构形式简单，易于加工，可极大提升被支撑光学元件的温度适应性，并降低由于结构件表面平整度差等原因导致的光学元件装配应力。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光学元件背部柔性支撑结构，其特征在于，包括安装基座(1)和柔性支撑(2)，柔性支撑(2)底部连接安装基座(1)，柔性支撑(2)上方设置光学元件(4)；柔性支撑(2)上设置有若干个柔性单元，每个柔性单元包括两个弧形贯通槽，两个弧形贯通槽相对布置且之间通过一组薄壁结构隔开，形成一个中间为圆柱体、外围为两个弧形贯通槽的柔性结构；一组薄壁结构包括两片薄壁体，两片薄壁体所在平面与穿过其所在柔性单元中心的柔性支撑(2)的半径垂直。
2.如权利要求1所述的光学元件背部柔性支撑结构，其特征在于，还包括：过渡件(3)，过渡件(3)底部安装在柔性结构的圆柱体上，顶部安装光学元件(4)。
3.如权利要求2所述的光学元件背部柔性支撑结构，其特征在于，所述柔性单元上设置有用于连接安装基座(1)的第一连接孔(2-3)以及用于连接过渡件(3)的第二连接孔(2-4)。
4.如权利要求3所述的光学元件背部柔性支撑结构，其特征在于，所述柔性支撑(2)和安装基座(1)之间、柔性支撑(2)和过渡件(3)之间均通过螺钉连接。
5.如权利要求4所述的光学元件背部柔性支撑结构，其特征在于，所述安装基座(1)上开设有第三连接孔，第三连接孔为沉头光孔，第一连接孔(2-3)为螺纹孔，沉头螺钉由下至上依次穿过第三连接孔和第一连接孔(2-3)，将安装基座(1)和柔性支撑(2)连接。
6.如权利要求5所述的光学元件背部柔性支撑结构，其特征在于，所述过渡件(3)上开设有第四连接孔，第四连接孔为螺纹孔，第二连接孔(2-4)为沉头光孔，沉头螺钉由下至上依次穿过第二连接孔(2-4)和第四连接孔，将柔性支撑(2)和过渡件(3)连接。
7.如权利要求2所述的光学元件背部柔性支撑结构，其特征在于，所述过渡件(3)的热膨胀系数不超过光学元件(4)热膨胀系数的两倍。
8.如权利要求7所述的光学元件背部柔性支撑结构，其特征在于，所述光学元件(4)采用石英材料，过渡件(3)采用铟钢4J32。
9.如权利要求2所述的光学元件背部柔性支撑结构，其特征在于，所述柔性支撑(2)上设置有三个均匀间隔布置的柔性单元。
10.如权利要求2所述的光学元件背部柔性支撑结构，其特征在于，所述柔性支撑(2)选用钛合金材质。
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