CN112083546B - 一种柔性支撑装置及利用该装置装调方形曲面棱镜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种柔性支撑装置及利用该装置装调方形曲面棱镜的方法，解决现有曲面棱镜安装后存在面型精度和位置精度较低的问题。该装置包括曲面棱镜结构框、柔性件、柔性卡箍、柔性修切垫、压片、激光跟踪仪安装座和精测镜组件；曲面棱镜结构框的前端面上设置有多个压片安装凸台和多个靶标安装孔，后端面上设置有多个拆卸缺口，左侧面和右侧面上均设置有上安装凸台、下安装凸台和多个调节孔；压片设置在压片安装凸台上；柔性件通过柔性修切垫安装在上安装凸台和下安装凸台上，柔性卡箍分别设置在曲面棱镜结构框两侧的拆卸缺口内；激光跟踪仪安装座设置在靶标安装孔；精测镜组件通过设置在安装接口设置在曲面棱镜结构框上。

Description

一种柔性支撑装置及利用该装置装调方形曲面棱镜的方法

技术领域

本发明涉及大口径光学元件支撑领域，具体涉及一种柔性支撑装置及利用该装置装调方形曲面棱镜的方法。

背景技术

目前色散型光谱仪主要采用棱镜和光栅的色散方式，曲面棱镜由Fery.C.H于1911年基于罗兰圆原理提出，该棱镜的两个工作面均为球面且前后两个表面不存在共同的光轴，曲面棱镜可避免色散型光谱仪中光栅低衍射效率、低光通量、多级光谱、高偏振灵敏度等缺点。此外，因曲面棱镜的前后球面具有较大的面倾角，可兼具分光和成像能力，被广泛应用在光谱成像系统中，用于减轻成像系统的体积和重量，但曲面棱镜是非回转对称光学元件，无法使用传统压圈进行固定。

基于Fery曲面棱镜的推扫式光谱成像仪的靶面几乎均为长条形方视场，有效光斑在透镜中也为方形或椭圆形。因此，大口径曲面棱镜在加工时，可只加工有效方形区域，加工成方形的曲面棱镜。这种方式可大幅降低光学系统体积和重量，还可防止视场外的光线进入曲面棱镜非有效区域，产生杂散光，影响成像质量。

但是，目前较为常用的曲面棱镜均为圆形，中国专利CN103116211A提出了一种采用斜垫圈与压圈组合固定方法，需保证曲面棱镜的凸面和镜框外圆同轴，并在凹面铣磨出倾斜的平端面用于固定，固定安装后使用拨杆对曲面棱镜相位进行调整。该方法需加工曲面棱镜的安装平端面和斜面金属隔圈的靠面，但是上述安装平端面和靠面不易加工，且要求加工精度很高。此外，曲面棱镜装入镜框后还需要对相位进行调整，使用繁琐，在复杂力热环境下难以保证高精度的相位。

发明内容

本发明的目的是解决现有曲面棱镜的支撑装置不适用于方形曲面棱镜，且存在曲面棱镜安装后面型精度和位置精度较低的问题，提供一种柔性支撑装置及利用该装置装调方形曲面棱镜的方法，该装置可保证大口径方形曲面棱镜在复杂力热环境下具有较高的面型精度和位置精度，并在此基础上设置多个装调安装接口，可辅助成像系统装调。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

一种柔性支撑装置，包括曲面棱镜结构框、柔性件、柔性卡箍、柔性修切垫、压片、激光跟踪仪安装座和精测镜组件；所述曲面棱镜结构框内设置有棱镜安装孔，其前端面上设置有多个压片安装凸台和多个靶标安装孔，后端面上设置有多个拆卸缺口，左侧面和右侧面上均设置有上安装凸台、下安装凸台和多个调节孔，所述上安装凸台、下安装凸台均为U形凸台，所述U形凸台的开口端远离曲面棱镜结构框的前端面，且其内腔与拆卸缺口连通；所述调节孔位于上安装凸台、下安装凸台之间，用于调节方形曲面棱镜和曲面棱镜结构框的相对位置；所述方形曲面棱镜设置在棱镜安装孔内，其前端面上设置有基准平面；所述压片设置在压片安装凸台上，且压片与方形曲面棱镜的基准平面相接触，用于实现装调过程中方形曲面棱镜的轴向辅助定位；所述柔性件为筒体结构，其外壁上设置有多个柔性槽，用于降低柔性件的刚度，所述柔性件筒底的外侧设有凹槽，用于形成柔性件粘接区，筒底上设置有注胶孔，用于将连接胶注入柔性件粘接区内；所述柔性件通过柔性修切垫安装在上安装凸台和下安装凸台上，通过柔性件粘接区的连接胶与方形曲面棱镜粘接，所述柔性卡箍分别设置在曲面棱镜结构框两侧的拆卸缺口内，且与曲面棱镜结构框固定连接；所述激光跟踪仪安装座设置在靶标安装孔内，用于安装激光跟踪仪，所述激光跟踪仪用于监测和调整方形曲面棱镜的空间位置；所述精测镜组件通过设置在曲面棱镜结构框顶端的安装接口设置在曲面棱镜结构框上，用于监测方形曲面棱镜的位置姿态。

进一步地，所述棱镜安装孔的拐角处设置有倒角槽，用于避免曲面棱镜结构框清根不彻底导致的装配应力。

进一步地，所述精测镜组件包括精测镜修切垫、精测镜底座和精测镜，所述精测镜通过精测镜修切垫设置在精测镜底座上，所述精测镜底座通过安装接口设置在曲面棱镜结构框上。

进一步地，多个柔性槽沿柔性件的外壁周向均布，且与柔性件的轴线倾斜设置。

进一步地，所述柔性件采用与方形曲面棱镜膨胀系数匹配的4J32材料，所述压片采用铝合金2A12材料。

进一步地，所述柔性件通过设置在其外周面上的安装法兰与曲面棱镜结构框固定连接。

进一步地，所述压片安装凸台、上安装凸台和下安装凸台的高度均为1mm，且平面度均在0.01mm以内。

进一步地，所述曲面棱镜结构框的底端还设置有安装底座，用于对曲面棱镜结构框进行稳定支撑。

进一步地，所述曲面棱镜结构框的左侧面和右侧面上还设置有加强筋板，用于增加曲面棱镜结构框的强度。

本发明还提供一种利用上述柔性支撑装置装调方形曲面棱镜的方法，包括以下步骤：

步骤一、修研压片，将其安装在曲面棱镜结构框的前端面，并保证多个压片的共面度；

步骤二、以多个压片为轴线限位基准，将方形曲面棱镜装入曲面棱镜结构框的棱镜安装孔，通过曲面棱镜结构框两侧的调节孔调节两者的相互位置关系，保证方形曲面棱镜和曲面棱镜结构框上下、左右对称放置；

步骤三、修研柔性修切垫的厚度，将柔性件通过柔性修切垫与曲面棱镜结构框连接；

步骤四、在柔性件的注胶孔注入连接胶，确保柔性件粘接区充满连接胶；

步骤五、将多个柔性卡箍分别安装在曲面棱镜结构框两侧的拆卸缺口内，同时将其与曲面棱镜结构框固定连接；

步骤六、依次将多个激光跟踪仪安装座、精测镜组件与曲面棱镜结构框固连，便于辅助系统集成装调。

与现有技术相比，本发明技术方案具有以下效果：

1.本发明柔性支撑装置设置有柔性件，柔性件可进行应力、应变的缓冲和释放，以确保大口径方形曲面棱镜在冲击、振动等力学环境以及高低温变化等复杂环境变化下具有较高的面型精度和位置精度。

2.本发明柔性支撑装置在曲面棱镜结构框顶部设置有精测镜组件，便于系统集成装调阶段监测方形曲面棱镜的位置姿态。

3.本发明柔性支撑装置在曲面棱镜结构框上设置有多个靶标安装孔，可安装激光跟踪仪，用于系统集成装调阶段激光跟踪仪监测、调整方形曲面棱镜的空间位置。

4.本发明柔性支撑装置在曲面棱镜结构框的多个柔性件安装位置设置有拆卸接口，便于柔性件与方形曲面棱镜的脱胶出框，以避免因注胶操作不当，导致曲面棱镜难以拆卸的问题。

5.本发明柔性支撑装置在曲面棱镜结构框的左侧面和后侧面上均设置有多个调节孔，便于方形曲面棱镜与曲面棱镜结构框之间的位置调整。

附图说明

图1为本发明柔性支撑装置与方形曲面棱镜的安装示意图；

图2为本发明方形曲面棱镜的结构示意图；

图3为本发明方形曲面棱镜结构框的结构示意图；

图4为本发明方形曲面棱镜结构框与柔性件的安装示意图；

图5为本发明柔性件的结构示意图；

图6为本发明方形曲面棱镜与柔性支撑装置的剖视图；

图7为本发明精测镜组件的结构示意图；

图8为本发明装调方形曲面棱镜的过程示意图。

附图标记：1-方形曲面棱镜，2-曲面棱镜结构框，3-柔性修切垫，4-柔性卡箍，5-柔性件，6-压片，7-激光跟踪仪安装座，8-精测镜组件，11-基准平面，21-压片安装凸台，22-上安装凸台，23-调节孔，24-下安装凸台，25-安装接口，26-靶标安装孔，27-倒角槽，28-棱镜安装孔，29-拆卸缺口，210-安装底座，211-加强筋板，51-柔性件粘接区，52-柔性槽，53-注胶孔，81-精测镜，82-精测镜底座，83-精测镜修切垫。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

本发明公开了一种柔性支撑装置，该装置适用于高质量的大口径光谱成像系统，将各光学元件安装于镜框内，其轴向间隔、倾斜误差及偏心误差均符合高精度要求。同时，在光学元件结构支撑中设计柔性件进行应力、应变的缓冲和释放，以确保各光学元件在冲击、振动等力学环境及高低温变化等复杂环境变化下具有较高的面型精度和位置精度。

本发明提供的柔性支撑装置用于对大口径方形曲面棱镜1(反射/透射)进行支撑，如图2所示，方形曲面棱镜1前后两个球面不共轴，在加工时需在其前端面的上侧和下侧均加工基准平面11，作为光学装调基准。如图1所示，该柔性支撑装置包括曲面棱镜结构框2、多个结构相同的柔性修切垫3、多个结构相同的柔性卡箍4、多个结构相同的柔性件5、多个结构相同的压片6、多个结构相同的激光跟踪仪安装座7以及精测镜组件8。

如图3和图4所示，本发明曲面棱镜结构框2内设置有棱镜安装孔28，其前端面上设置有多个压片安装凸台21，后端面上设置有多个拆卸缺口29，左侧面和右侧面上均设置有上安装凸台22和下安装凸台24。各安装凸台的高度均可为1mm，通过研磨保证上述安装凸台的平面度均在0.01mm以内。上安装凸台22、下安装凸台24具体为U形凸台，U形凸台的开口端远离曲面棱镜结构框2的前端面，且其内腔与拆卸缺口29连通；为了便于调节方形曲面棱镜1与曲面棱镜结构框2的相对位置关系，在曲面棱镜结构框2四周每个面均布置有两个调节孔23，该调节孔23具体可为M8细牙的工艺螺纹孔。为了便于系统集成装调阶段监测各光学零件的位置姿态，曲面棱镜结构框2的顶部还预留了安装接口25、前端面还设置有4个靶标安装孔26。同时，棱镜安装孔28的拐角处设置有倒角槽27，用于避免曲面棱镜结构框2清根不彻底导致的光机装配应力。此外，曲面棱镜结构框2的底端还设置有安装底座210，用于对曲面棱镜结构框2进行稳定支撑，曲面棱镜结构框2的左侧面和右侧面上上还设置有加强筋板211，用于增加曲面棱镜结构框2的强度。

如图1所示，方形曲面棱镜1设置在棱镜安装孔28内，其前端面上设置有基准平面11，多个压片6分别通过螺钉安装在曲面棱镜结构框2的压片安装凸台21上，安装时与方形曲面棱镜1基准面的一侧接触，用于装调过程中光学零件轴向位置的辅助定位。

如图5所示，柔性件5采用与方形曲面棱镜1膨胀系数接近的4J32材料，具体为筒体结构，筒体外壁上设置有多个柔性槽52，多个柔性槽52沿柔性件5的外壁周向均布，且与柔性件5的轴线倾斜设置，用于降低柔性件5的刚度。柔性件5筒底的外侧设有凹槽，用于形成柔性件粘接区51，筒底上设置有注胶孔53，通过注胶孔53将环氧树脂胶EC2216-B/A注满柔性件粘接区51。柔性件5的柔性槽宽度、角度和柔性件粘接区面积大小需根据不同方形曲面棱镜1尺寸、重量进行有限元分析优化获得。

如图6所示，柔性件5通过柔性修切垫3安装在上安装凸台22和下安装凸台24上，并通过设置在其外周面上的安装法兰与曲面棱镜结构框2固定连接。柔性件5通过柔性件粘接区处的环氧树脂胶与方形曲面棱镜1粘接，再通过螺钉与曲面棱镜结构框2固连，通过调整柔性修切垫3的厚度，可保证柔性件5与方形曲面棱镜1周边的间距，同时通过控制胶层厚度，可保证粘接强度。柔性卡箍4分别设置在曲面棱镜结构框2两侧的拆卸缺口29内，且与曲面棱镜结构框2通过螺钉固定连接。柔性卡箍4的作用是：若出现注胶失误，导致方形曲面棱镜1的面形较差，可通过拆卸柔性卡箍4将方形曲面棱镜1与曲面棱镜结构框2分离，进行脱胶处理。在冲击、振动或高低温变化等复杂环境下，本发明曲面棱镜结构框2将冲击、振动等环境变化通过柔性件5进行应力、应变的缓冲和释放，避免环境变化产生的冲击、振动等变化直接传递至方形曲面棱镜1，对方形曲面棱镜1的工作产生影响。

本发明柔性支撑装置在曲面棱镜结构框2上设置有多个靶标安装孔26，多个完全相同的激光跟踪仪安装座7通过紧间隙配合安装在曲面棱镜结构框2的靶标安装孔26内，激光跟踪仪安装在激光跟踪仪安装座7上，用于系统集成装调阶段监测、调整方形曲面棱镜1的空间位置。

本发明柔性支撑装置在曲面棱镜结构框2顶部设置有精测镜组件8，便于系统集成装调阶段监测方形曲面棱镜1的位置姿态。精测镜组件8包括精测镜修切垫83、精测镜底座82和精测镜81，精测镜81与精测镜底座82粘接，再经精测镜修切垫83与曲面棱镜结构框2的安装接口25固连。

在结构的材料选择方面，主要考虑结构零件与光学零件的热胀匹配和轻量化设计。与光学零件直接接触的柔性件5选择与其线胀系数匹配的殷钢4J32材料，而起轴向辅助定位的压片6，由于和光学零件没有直接粘固，因此选择铝合金2A12材料，为保证组件的强度和刚度，其余结构件材料均选用钛合金TC4材料。

如图6所示，本发明提供一种利用上述柔性支撑装置装调方形曲面棱镜的方法，具体包括以下步骤：

步骤一、修研四个压片6，将其装入曲面棱镜结构框2，保证四个压片6共面度优于0.02mm；

步骤二、以四个压片6为轴线限位基准，将方形曲面棱镜装入曲面棱镜结构框2，通过曲面棱镜结构框2上M8细牙的工艺螺纹孔调节两者间的相互位置关系，保证曲面棱镜和曲面棱镜结构框2上下、左右对称放置；

步骤三、修研柔性修切垫3的厚度，将柔性件5通过柔性修切垫3与曲面棱镜结构框2固连；

步骤四、在柔性件5的注胶孔53注入连接胶，确保柔性件粘接区充满连接胶，连接胶固化后实测方形曲面棱镜的面型，保证满足光学设计要求；

步骤五、将四个柔性卡箍4分别与曲面棱镜结构框2通过螺钉固连，增强组件的强度与刚度；

步骤六、依次将四个完全相同的激光跟踪仪安装座7、精测镜组件8与曲面棱镜结构框2固连，便于辅助系统集成装调。

Claims (10)

1.一种柔性支撑装置，用于方形曲面棱镜(1)的装调，其特征在于：包括曲面棱镜结构框(2)、多个结构相同的柔性修切垫(3)、多个结构相同的柔性卡箍(4)、多个结构相同的柔性件(5)、多个结构相同的压片(6)、多个结构相同的激光跟踪仪安装座(7)和精测镜组件(8)；

所述曲面棱镜结构框(2)内设置有棱镜安装孔(28)，其前端面上设置有多个压片安装凸台(21)和多个靶标安装孔(26)，后端面上设置有多个拆卸缺口(29)，左侧面和右侧面上均设置有上安装凸台(22)、下安装凸台(24)和多个调节孔(23)，所述上安装凸台(22)、下安装凸台(24)均为U形凸台，所述U形凸台的开口端远离曲面棱镜结构框(2)的前端面，且其内腔与拆卸缺口(29)连通；所述调节孔(23)位于上安装凸台(22)、下安装凸台(24)之间，用于调节方形曲面棱镜和曲面棱镜结构框(2)的相对位置；

所述方形曲面棱镜(1)设置在棱镜安装孔(28)内，其前端面上设置有基准平面(11)；所述压片(6)设置在压片安装凸台(21)上，且压片(6)与方形曲面棱镜(1)的基准平面(11)相接触，用于实现装调过程中方形曲面棱镜(1)的轴向辅助定位；

所述柔性件(5)为筒体结构，其外壁上设置有多个柔性槽(52)，用于降低柔性件(5)的刚度，所述柔性件(5)筒底的外侧设有凹槽，用于形成柔性件粘接区(51)，筒底上设置有注胶孔(53)，用于将连接胶注入柔性件粘接区(51)内；所述柔性件(5)通过柔性修切垫(3)分别安装在上安装凸台(22)和下安装凸台(24)上，通过柔性件粘接区(51)的连接胶与方形曲面棱镜粘接；所述柔性卡箍(4)分别设置在曲面棱镜结构框(2)两侧的拆卸缺口(29)内，且与曲面棱镜结构框(2)固定连接；

所述激光跟踪仪安装座(7)设置在靶标安装孔(26)内，用于安装激光跟踪仪，所述激光跟踪仪用于监测和调整方形曲面棱镜(1)的空间位置；

所述精测镜组件(8)通过设置在曲面棱镜结构框(2)顶端的安装接口(25)设置在曲面棱镜结构框(2)上，用于监测方形曲面棱镜(1)的位置姿态。

2.根据权利要求1所述的柔性支撑装置，其特征在于：所述棱镜安装孔(28)的拐角处设置有倒角槽(27)，用于避免曲面棱镜结构框(2)清根不彻底导致的装配应力。

3.根据权利要求2所述的柔性支撑装置，其特征在于：所述精测镜组件(8)包括精测镜修切垫(83)、精测镜底座(82)和精测镜(81)，所述精测镜(81)通过精测镜修切垫(83)设置在精测镜底座(82)上，所述精测镜底座(82)通过安装接口(25)设置在曲面棱镜结构框(2)上。

4.根据权利要求1或2或3所述的柔性支撑装置，其特征在于：多个柔性槽(52)沿柔性件(5)的外壁周向均布，且与柔性件(5)的轴线倾斜设置。

5.根据权利要求4所述的柔性支撑装置，其特征在于：所述柔性件(5)采用与方形曲面棱镜膨胀系数匹配的4J32材料，所述压片(6)采用铝合金材料。

6.根据权利要求5所述的柔性支撑装置，其特征在于：所述柔性件(5)通过设置在其外周面上的安装法兰与曲面棱镜结构框(2)固定连接。

7.根据权利要求6所述的柔性支撑装置，其特征在于：所述压片安装凸台(21)、上安装凸台(22)和下安装凸台(24)的高度均为1mm，且平面度均在0.01mm以内。

8.根据权利要求7所述的柔性支撑装置，其特征在于：所述曲面棱镜结构框(2)的底端还设置有安装底座(210)，用于对曲面棱镜结构框(2)进行稳定支撑。

9.根据权利要求8所述的柔性支撑装置，其特征在于：所述曲面棱镜结构框(2)的左侧面和右侧面上还设置有加强筋板(211)，用于增加曲面棱镜结构框(2)的强度。

10.一种利用权利要求1至9任一所述柔性支撑装置装调方形曲面棱镜的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、修研压片，将其安装在曲面棱镜结构框的前端面，并保证多个压片的共面度；

步骤二、以多个压片为轴线限位基准，将方形曲面棱镜装入曲面棱镜结构框的棱镜安装孔，通过曲面棱镜结构框两侧的调节孔调节两者的相互位置关系，保证方形曲面棱镜和曲面棱镜结构框上下、左右对称放置；

步骤三、修研柔性修切垫的厚度，将柔性件通过柔性修切垫与曲面棱镜结构框连接；

步骤四、在柔性件的注胶孔注入连接胶，确保柔性件粘接区充满连接胶；

步骤五、将多个柔性卡箍分别安装在曲面棱镜结构框两侧的拆卸缺口内，同时将其与曲面棱镜结构框固定连接；

步骤六、依次将多个激光跟踪仪安装座、精测镜组件与曲面棱镜结构框固连，便于辅助系统集成装调。