CN112099175A - 一种光学天线离焦弓形双金属热补偿装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光学天线离焦弓形双金属热补偿装置，包括镜座、底座、弓形结构、次镜和锁紧螺母，以镜座为中心，沿圆周均分平面内伸出至少三个臂构成底座；以镜座为中心，沿圆周均匀分布伸出至少三个臂构成弓形结构，弓形结构与底座中心面重合且数量一致；弓形结构与底座在臂的末端连接在一起，安装在光学天线基础上；弓形结构与底座不共面并成一定角度；光学天线的镜筒中设置有主镜和次镜，当温度升高时，镜筒膨胀，引起主、次镜间距变大；当温度降低时，镜筒收缩，引起主、次镜间距变小。本发明利用双金属热膨胀系数的差异，在环境温度变化时，无需额外提供功率，借助变形差补偿光学镜片的离焦。

Description

一种光学天线离焦弓形双金属热补偿装置
技术领域
本发明涉及一种光学天线离焦弓形双金属热补偿装置，属于激光通信技术领域。
背景技术
激光通信通信容量大，带宽宽，保密性强，尤其是由于其可以采用不可见光，同时方向性很强，很难被侦测和发现，具有极高的保密性。激光通信的应用将会越来越广泛，近年来空间激光通信技术得到快速发展，国内外成功建立了星间、星地链路的演示验证系统。随着高分辨率观测技术和高数据率信息传输的迫切需求，建立起激光通信空间传输网络迫在眉睫。光学天线是激光通信终端的重要部件，它承担光束发射、接收任务，压缩发射激光束发散角和压缩接收光束大小。
在空间轨道环境中，将经历高真空日照和进入阴影区的冷空间环境，最高温达500K，最低温度可低至3K。虽然对光学天线进行了很好的热控设计，但对光学设备仍然会发生小幅温变环境下的光学离焦。根据实际在轨测试数据证明，的确发生了离焦。光学天线热变形导致镜间距变化，产生离焦，进而引起发射光束束散角变大，接收光束像质变化降低接收光路信噪比，最终影响捕跟、通信链路建立。
目前光学设备或仪器在温变环境下的补偿方式主要有2种：主动式补偿和被动式补偿。
主动式补偿采用手动、机械或机电等方式对补偿机构进行调节，达到离焦补偿目的，但是需要复杂的控制电路，且需要消耗额外的能量；
机械被动式补偿的主要原理是通过使一个或一组透镜在光轴方向上进行移动进而完成对光学系统的消热差设计，但是增加了镜筒的体积和重量。
发明内容
本发明的技术解决问题：本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种光学天线离焦弓形双金属热补偿装置，实现温变环境中对光学天线内部镜面的离焦自动补偿。
本发明的技术解决方案：
一种光学天线离焦弓形双金属热补偿装置，包括镜座、底座、弓形结构、次镜和锁紧螺母，
以镜座为中心，沿圆周均分平面内伸出至少三个臂构成底座；以镜座为中心，沿圆周均匀分布伸出至少三个臂构成弓形结构，弓形结构与底座中心面重合且数量一致；弓形结构与底座在臂的末端连接在一起，安装在光学天线基础上；弓形结构与底座不共面并成一定角度；
光学天线的镜筒中设置有主镜和次镜，当温度升高时，镜筒膨胀，引起主、次镜间距变大；当温度降低时，镜筒收缩，引起主、次镜间距变小；
镜座上设置台阶，弓形结构内径中心套在镜座上，并且通过镜座上的台阶限位，然后通过锁紧螺母锁紧在镜座上，次镜粘接在镜座中心轴端；
弓形结构与底座之间的热膨胀系数不同；
当环境温度升高，由于底座和弓形结构热膨胀系数不同，整个热补偿装置带动次镜向主镜方向移动，补偿镜筒的热膨胀；当环境温度降低，整个热补偿装置带动次镜向远离主镜方向移动，补偿镜筒的热收缩。
进一步的，光学天线镜筒采用铝基碳化硅材料制作。
进一步的，底座与镜座一体结构。
进一步的，次镜位于镜座一端，且位于靠近弓形结构的一侧。
进一步的，弓形结构与底座之间角度范围为5°-20°。
进一步的，弓形结构与底座之间的热膨胀系数之差大于10e-6/℃。
进一步的，锁紧螺母的热膨胀系数不大于15e-6/℃，确保锁紧螺母不影响次镜的变形。
进一步的，底座为平面，与镜座共面。
进一步的，底座为钛合金材料，热膨胀系数为9.1e-6/℃。
进一步的，弓形结构为铝合金材料，热膨胀系数为22.7e-6/℃。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明利用双金属热膨胀系数的差异，在环境温度变化时，无需额外提供功率，借助变形差补偿光学镜片的离焦；
(2)本发明采用弓形双金属片沿圆周均匀分布，在环境温度变化下产生沿镜片轴向方向的变形，实现温变环境中对光学天线内部镜面的离焦自动补偿；
(3)本发明直接作用次镜上，而非去变化镜筒，减轻了镜筒的重量，减小了镜筒的体积。
附图说明
图1为本发明结构示意图，
其中1-镜座，2-底座，3-弓形结构，4-次镜，5-锁紧螺母；
图2为本发明光学天线变形示意图，
其中6-主镜，7-光学天线的镜筒；
图3为本发明升温1℃时次镜沿Z向移动示意图；
图4为本发明降温1℃时次镜沿-Z向移动示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
本发明提供了一种利用两种金属热膨胀系数差异，在温变环境下，伸长或缩短量不同，形成位移差产生需要的变形，达到光学天线主、次镜离焦补偿。
具体装置结构组成为：一种光学天线离焦弓形双金属热补偿装置，如图1、2所示，包括镜座、底座、弓形结构、次镜和锁紧螺母，
以镜座为中心，沿圆周均分平面内伸出至少三个臂构成底座；以镜座为中心，沿圆周均匀分布伸出至少三个臂构成弓形结构，弓形结构与底座中心面重合且数量一致；弓形结构与底座在臂的末端连接在一起，安装在光学天线基础上；弓形结构与底座不共面并成一定角度；
光学天线的镜筒中设置有主镜和次镜，当温度升高时，镜筒膨胀，引起主、次镜间距变大；当温度降低时，镜筒收缩，引起主、次镜间距变小；
镜座上设置台阶，弓形结构内径中心套在镜座上，并且通过镜座上的台阶限位，然后通过锁紧螺母锁紧在镜座上，次镜粘接在镜座中心轴端；
弓形结构与底座之间的热膨胀系数不同；
底座为钛合金材料，热膨胀系数为9.1e-6/℃；弓形结构为铝合金材料，热膨胀系数为22.7e-6/℃，锁紧螺母为普通钢材，膨胀系数为12e-6/℃；
当环境温度升高，由于底座和弓形结构热膨胀系数不同，整个热补偿装置带动次镜向主镜方向移动，补偿镜筒的热膨胀；当环境温度降低，整个热补偿装置带动次镜向远离主镜方向移动，补偿镜筒的热收缩。
光学天线镜筒采用铝基碳化硅材料制作，底座与镜座一体结构，次镜位于镜座一端，且位于靠近弓形结构的一侧，弓形结构与底座之间角度范围为5°-20°，弓形结构与底座之间的热膨胀系数之差大于10e-6/℃，锁紧螺母的热膨胀系数不大于15e-6/℃，确保锁紧螺母不影响次镜的变形。
实施例
底座为钛合金材料，热膨胀系数为9.1e-6/℃，弓形结构为铝合金材料，热膨胀系数为22.7e-6/℃。
通过仿真计算，给出了升温和降温工况下，次镜位置沿轴向(Z轴)的移动量，如图3，4所示，升温1℃时次镜沿Z向移动1.1569um，降温1℃时次镜沿-Z向移动1.1569um。可见，通过本发明的弓形双金属热补偿装置在温度变化中，可以补偿主、次镜的间距，降低或避免离焦发生。
本发明利用双金属热膨胀系数的差异，在环境温度变化时，无需额外提供功率，借助变形差补偿光学镜片的离焦；采用弓形双金属片沿圆周均匀分布，在环境温度变化下产生沿镜片轴向方向的变形，实现温变环境中对光学天线内部镜面的离焦自动补偿；本发明直接作用次镜上，而非去变化镜筒，减轻了镜筒的重量，减小了镜筒的体积。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种光学天线离焦弓形双金属热补偿装置，其特征在于，包括镜座、底座、弓形结构、次镜和锁紧螺母，
以镜座为中心，沿圆周均分平面内伸出至少三个臂构成底座；以镜座为中心，沿圆周均匀分布伸出至少三个臂构成弓形结构，弓形结构与底座中心面重合且数量一致；弓形结构与底座在臂的末端连接在一起，安装在光学天线基础上；弓形结构与底座不共面并成一定角度；
光学天线的镜筒中设置有主镜和次镜，当温度升高时，镜筒膨胀，引起主、次镜间距变大；当温度降低时，镜筒收缩，引起主、次镜间距变小；
镜座上设置台阶，弓形结构内径中心套在镜座上，并且通过镜座上的台阶限位，然后通过锁紧螺母锁紧在镜座上，次镜粘接在镜座中心轴端；
弓形结构与底座之间的热膨胀系数不同；
当环境温度升高，由于底座和弓形结构热膨胀系数不同，整个热补偿装置带动次镜向主镜方向移动，补偿镜筒的热膨胀；当环境温度降低，整个热补偿装置带动次镜向远离主镜方向移动，补偿镜筒的热收缩。
2.根据权利要求1所述的一种光学天线离焦弓形双金属热补偿装置，其特征在于：光学天线镜筒采用铝基碳化硅材料制作。
3.根据权利要求1所述的一种光学天线离焦弓形双金属热补偿装置，其特征在于：底座与镜座一体结构。
4.根据权利要求1所述的一种光学天线离焦弓形双金属热补偿装置，其特征在于：次镜位于镜座一端，且位于靠近弓形结构的一侧。
5.根据权利要求1所述的一种光学天线离焦弓形双金属热补偿装置，其特征在于：弓形结构与底座之间角度范围为5°-20°。
6.根据权利要求1所述的一种光学天线离焦弓形双金属热补偿装置，其特征在于：弓形结构与底座之间的热膨胀系数之差大于10e-6/℃。
7.根据权利要求1所述的一种光学天线离焦弓形双金属热补偿装置，其特征在于：锁紧螺母的热膨胀系数不大于15e-6/℃，确保锁紧螺母不影响次镜的变形。
8.根据权利要求3所述的一种光学天线离焦弓形双金属热补偿装置，其特征在于：底座为平面，与镜座共面。
9.根据权利要求1所述的一种光学天线离焦弓形双金属热补偿装置，其特征在于：底座为钛合金材料，热膨胀系数为9.1e-6/℃。
10.根据权利要求1所述的一种光学天线离焦弓形双金属热补偿装置，其特征在于：弓形结构为铝合金材料，热膨胀系数为22.7e-6/℃。
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