CN112128546B - 用于大尺寸拼接光学元件的支撑结构及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及天文光学技术领域，具体涉及一种用于大尺寸拼接光学元件的支撑结构及其安装方法。多个光学元件通过锁紧装置固定安装在框架上。光学元件在框架内排布，相邻光学元件之间的最大间隙小于1mm。光学元件具有底部定位面和侧边定位面。框架的内部设置有定位台肩。定位台肩的上端面与水平面之间具有倾角，对光学元件的底部定位面形成支撑。锁紧装置包括弹簧片。弹簧片的上端从相邻光学元件的间隙中延伸出，对光学元件的侧边形成包裹。弹簧片的侧面对侧边定位面形成定位。弹簧片的下端与定位台肩连接。该光学元件支撑结构在满足空间分配的前提下，为拼接式光学器件，提供了一种兼备高精度定位和抗冲击性能的柔性支撑结构。

Description

用于大尺寸拼接光学元件的支撑结构及其安装方法

技术领域

本发明涉及天文光学技术领域，具体涉及一种用于大尺寸拼接光学元件的支撑结构及其安装方法。

背景技术

天文望远镜光谱仪是一种天文望远镜的终端仪器，用于对星光进行光谱观测。为了实现大视场、多波段、高效率的天文光谱测量，采用大尺寸拼接光栅组作为色散元件，安装于望远镜焦面前，实现天文科学目标的光谱色散功能。大尺寸拼接光栅组件与前置光学系统和主焦面配合，可以对目标天区的天体开展高效率的无缝光谱巡天观测。

大尺寸拼接光栅组件由若干块光栅拼接而成，如附图1所示、且每块光栅11与主光机焦面10的距离和倾角均有差别，以实现分波段、大视场的观测要求，因此各块光栅需要相互独立的固定在光栅框中；然而光栅与光栅之间间隙最大仅有0.68mm，且需要保证光栅与焦面相对位置的精度，并尽可能的减少挡光，因此用于光栅支撑结构的空间分配极其有限；组件与焦面的距离很近，长期运行在低温环境中；同时该组件在运输时可能经受极高的冲击负载和振动，因此在保证光栅支撑结构的空间分配的要求下，要保证有足够的强度和支撑定位精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种兼备高精度定位和抗冲击性能的柔性支撑结构以及相应的安装方法，可以用于需经受高冲击、大幅温变、结构紧凑的光学元件的支撑方案设计中。

为实现上述目的，本发明的第一方面提出一种用于大尺寸拼接光学元件的支撑结构，包括光学元件、锁紧装置和框架，多个光学元件通过锁紧装置固定安装在框架上；

所述光学元件在框架内排布，多个光学元件在框架内形成光学元件组，相邻光学元件之间的最大间隙小于1mm，光学元件具有底部定位面和侧边定位面；

所述框架的内部设置有定位台肩，定位台肩的上端面与水平面之间具有倾角，对光学元件的底部定位面形成支撑；

所述锁紧装置包括弹簧片，弹簧片被置于光学元件与定位台肩之间，弹簧片的上端从相邻光学元件的间隙中延伸出，对光学元件的侧边形成包裹，弹簧片的侧面对侧边定位面形成定位，弹簧片的下端与定位台肩连接。

作为优选，每个光学元件的侧边定位面上设置有多个锁紧装置，每个光学元件的侧边定位面的对面上至少设置有一个锁紧装置，相邻光学元件的锁紧装置在间隙中相互交错。如此设置，能够减少安装锁紧装置的数量，进而减少锁紧装置在光学元件上覆盖的面积，有效避免了锁紧装置与光学元件发生干涉。

作为优选，弹簧片在光学元件的侧边形成C型包裹，C型包裹的一端向下延伸形成弹簧片的固定端，固定端通过紧固件与定位台肩的侧面相连。如此设置，可以有效的约束光学元件的位移，并且最大程度的保证了通光面积，避免了锁紧装置对光路的遮挡，且这种约束方式不对其施加额外的预紧力，结构受到振动时，弹簧片发生变形可以吸收能量，避免光学元件受到严重冲击破坏。

作为优选，弹簧片与光学元件之间设置有粘结胶层，弹簧片与粘结胶层的厚度之和等于相邻光学元件之间的最大间隙。通过精确控制弹簧片与粘结胶层的厚度之和，来确保光学元件的定位精度。

作为优选，定位台肩的上端面呈折线型，与水平面之间具有多个倾角，支撑同一个光学元件的定位台肩的上端面的倾角相同。如此设置，使得每个光学元件在框架中能够具有不同的空间位置，用以满足不同光学设计的要求。

本发明的第二方面还提出一种前述的用于大尺寸拼接光学元件的支撑结构的安装方法，包括以下步骤：

弹簧片与光学元件接触的侧面上设置粘结胶层；

弹簧片的固定端与工装上的定位孔连接，工装上的定位孔与安装光学元件的框架上的定位孔位置一致；

光学元件被放置在工装上，调整光学元件的位置，使得光学元件的底部定位面、侧边定位面均刚好与粘结胶层相接触，完成定位；

工装上端设置的压模在冲头组件的带动下，压模对弹簧片施加压力，将弹簧片的L型上端折弯成C型，对光学元件的侧边形成C型包裹，完成光学元件的预装件；

将预装件从工装上拆下，安装至框架上。

在实施上述用于大尺寸拼接光学元件的支撑结构的安装方法时，为了避免弹簧片L型的上边缘压在光学元件上，可在压模实施冲压前，在光学元件的表面安装一弹性垫圈。

上述安装方法中使用的工装包括弹簧片固定块和平垫块。弹簧片固定块分别固定安装在平垫块的两侧，用于对弹簧片的定位和固定。平垫块用于支撑光学元件，并对光学元件的底部定位面形成定位。其中，弹簧固定块的上端面低于平垫块的上端面，两者的高度差等于弹簧片与粘结胶层的厚度之和。这可以保证压模向弹簧片的上端施加压力时，光学元件的底部定位面和弹簧片底面的距离可以保持不变，有效的控制了位置精度。

上述安装方法在工装上将锁紧装置预先安装在光学元件上，形成光学元件的预装件，降低了在框架上拼接光学元件的难度，减小了安装过程中产生的安装误差，同时利用框架上定位台肩的加工精度来保证光学元件的安装位置精度，减少了安装校准的时间，提高了安装效率。

本发明提供的用于大尺寸拼接光学元件的支撑结构与现有技术相比，具有如下突出的实质性特点和显著进步：该光学元件支撑结构在满足空间分配的前提下，避免了对光学元件施加太大的法向预紧力，降低了预紧力对光学元件面型变化的影响；利用弹簧片及定位台肩的定位保证了光学元件在框架内的位置精度，同时弹簧片的弹性为锁紧装置提供一定的柔性，能够承受运输过程中可能承受的巨大冲击和振动，以及低温环境中运行期间的温度应力。

附图说明

图1是拼接光栅示意图；

图2是本发明实施例中用于大尺寸拼接光学元件的支撑结构的示意图；

图3是框架4的示意图；

图4是图3中C处的局部放大图；

图5是图2的剖视图；

图6是本发明实施例中用于大尺寸拼接光学元件的支撑结构的安装示意图；

图7是图6中A处的局部放大图；

图8是图6中B处的局部放大图。

附图标记：光学元件1、粘结胶层2、弹簧片3、框架4、紧固件5、安装工装6、底座7、冲头组件8、压模9、主光机焦面10、光栅11、定位台肩41、安装孔42。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。

如图2-5所示的一种用于大尺寸拼接光学元件的支撑结构，为将多个光学元件拼接成一个大面积的光学元件时提供柔性支撑，保证光学元件在拼接过程中的位置精度。在极小安装缝隙的情况下，将多个光学元件固定安装在框架上，减少了锁紧装置在光学元件上覆盖的面积，有效避免了锁紧装置与光学元件发生干涉。同时，该支撑结构一方面利用弹簧片对光学元件实施定位和固定，另一方面利用其弹性提高支撑结构的抗冲击载荷。

如图2所示的一种用于大尺寸拼接光学元件的支撑结构，包括光学元件1、锁紧装置和框架4。多个光学元件1通过锁紧装置固定安装在框架4上。图2中所示的光学元件拼接结构，其长度方向的尺寸约为520mm，宽度方向的尺寸约为210mm。如果要制作一块完整的相同尺寸的光学元件，且能够实现不同光学波段的观测，其制造难度和成本相比于拼接成型的方式将大大提升。

光学元件1在框架4内排布，多个光学元件1在框架4内形成光学元件组。为了保证拼接形成的光学元件组与整体加工的大面积光学元件具有相同的效果，相邻光学元件之间的最大间隙小于1mm。需要在1mm的间隙内，为光学元件1安装锁紧装置。光学元件1具有底部定位面和侧边定位面。

图3结合图4所示，框架4的内部设置有定位台肩41。定位台肩41的上端面与水平面之间具有倾角，并对光学元件1的底部定位面形成支撑。定位台肩41的侧面上设置有安装孔42，为光学元件1的定位提供定位基准。

下面根据六点定位原则，分析光学元件1在框架4中的定位。假设图2中所示的光学元件拼接结构的长度方向为X轴的延伸方向，宽度方向为Y轴的延伸方向，Z轴的延伸方向垂直于X轴和Y轴所在平面。定位台肩41的上端面与光学元件1的底部定位面重合，实现对光学元件1分别绕X轴方向、Y轴方向转动，以及沿着Z轴方向移动的三个自由度的约束。光学元件1分别沿着X轴方向、Y轴方向的移动，以及绕Z轴方向转动的三个自由度仍需进一步限定。

如图5所示，锁紧装置包括弹簧片3。弹簧片3被置于光学元件1与定位台肩42之间。弹簧片3的上端从相邻光学元件1的间隙中延伸出，对光学元件1的侧边形成包裹。弹簧片3的侧面对侧边定位面形成定位。弹簧片3的下端与定位台肩41连接。其中，弹簧片3的侧面与光学元件1的侧边定位面重合，实现了对光学元件1沿着X轴方向移动和绕Z轴方向转动的两个自由度的约束。

弹簧片3的下端设置有通孔，紧固件5穿过通孔将其固定在安装孔42内。弹簧片3上的通孔与安装孔42同轴，实现了对光学元件1在Y轴方向移动的一个自由度的约束，也是其在框架4内的最后一个自由度。至此，光学元件1在框架4内完全定位。紧固件5与定位台肩41之间设置有弹垫，防止外界振动引起松动，进而防止光学元件1发生位置偏移。紧固件5可选用螺栓，优选为合适长度的内六角全螺纹螺栓。

优选地，每个光学元件1的侧边定位面上设置有多个锁紧装置。每个光学元件1的侧边定位面的对面上至少设置有一个锁紧装置。相邻光学元件1的锁紧装置在间隙中相互交错。例如，侧边定位面上锁紧装置的个数可选为2、3、4等，其对面上锁紧装置的个数可选为1、2、3等。优选方案为在光学元件1的侧边定位面上设置有2个锁紧装置，在侧边定位面的对面设置有1个锁紧装置。如此设置，能够减少安装锁紧装置的数量，进而减少锁紧装置在光学元件1上覆盖的面积，有效避免了锁紧装置与光学元件1发生干涉。

优选地，弹簧片3在光学元件1的侧边形成C型包裹。C型包裹的一端向下延伸形成弹簧片3的固定端。固定端通过紧固件5与定位台肩41的侧面相连。如此设置，可以有效的约束光学元件1的位移，并且最大程度的保证了通光面积，避免了锁紧装置对光路的遮挡。且这种约束方式不对光学元件1施加额外的预紧力，结构受到振动时，弹簧片3发生变形可以吸收能量，避免光学元件1受到严重冲击破坏。

优选地，弹簧片3与光学元件1之间设置有粘结胶层2。弹簧片3与粘结胶层2的厚度之和等于相邻光学元件之间的最大间隙。通过精确控制弹簧片3与粘结胶层2的厚度之和，来确保光学元件1的定位精度。

优选地，定位台肩41的上端面呈折线型，与水平面之间具有多个倾角。支撑同一个光学元件1的定位台肩41的上端面的倾角相同。如此设置，使得每个光学元件1在框架4中能够具有不同的空间位置，用以满足不同光学设计的要求。支撑同一个光学元件1的两个定位台肩41的上端面之间的平面度精度，由制造过程中的加工精度保证。

优选地，锁紧装置与框架4的外表面均采用发黑工艺处理。其外表面发黑处理可以降低杂散光对拼接而成的光学元件的干扰。

上述光学元件不限于背景技术中提到的光栅，还可以为透镜、棱镜等。弹簧片可选用钢片、锡青铜片、铍青铜片等材料加工而成。

如图6-8所示，本发明实施例中还提出一种上述的用于大尺寸拼接光学元件的支撑结构的安装方法，包括以下步骤：

弹簧片与光学元件接触的侧面上设置粘结胶层；

弹簧片的固定端与工装上的定位孔连接，工装上的定位孔与安装光学元件的框架上的定位孔位置一致；

光学元件被放置在工装上，调整光学元件的位置，使得光学元件的底部定位面、侧边定位面均刚好与粘结胶层相接触，完成定位；

工装上端设置的压模在冲头组件的带动下，压模对弹簧片施加压力，将弹簧片的L型上端折弯成C型，对光学元件的侧边形成C型包裹，完成光学元件的预装件；

将预装件从工装上拆下，安装至框架上。

在实施上述用于大尺寸拼接光学元件的支撑结构的安装方法时，为了避免弹簧片L型的上边缘压在光学元件上，可在压模实施冲压前，在光学元件的表面安装一弹性垫圈。

上述安装方法中使用的工装包括弹簧片固定块和平垫块。弹簧片固定块分别固定安装在平垫块的两侧，用于对弹簧片的定位和固定。平垫块用于支撑光学元件，并对光学元件的底部定位面形成定位。其中，弹簧固定块的上端面低于平垫块的上端面，两者的高度差等于弹簧片与粘结胶层的厚度之和。这可以保证压模向弹簧片的上端施加压力时，光学元件的底部定位面和弹簧片底面的距离可以保持不变，有效的控制了位置精度。

在一些实施例中，弹簧片的厚度为0.15mm。粘结胶层选用双面胶，优选为具有一定厚度的丙烯酸双面胶，双面胶的厚度为0.5mm。因此，为了保证压模向弹簧片的上端施加压力时，光学元件的底部定位面和弹簧片底面的距离可以保持不变，弹簧固定块的上端面与平垫块的上端面的高度差为0.65mm。冲压组件8带动压模9向下运动，弹簧片3会根据压模9与其接触的轨迹向内弯折，一直到弯折90度，簧片完全贴合在双面胶上，完成安装。

如图6结合图7所示，安装工装6固定安装在底座7上。安装工装6的上端面为光学元件1的底部定位面的定位基准面。安装工装6的侧面设置有螺纹孔。螺纹孔用于固定安装弹簧片3，并对弹簧片3实现定位。螺纹孔的位置尺寸与框架4上的安装孔42的位置尺寸相一致。弹簧片3的侧面为光学元件1的侧边定位面的定位基准。根据六点定位原则，光学元件1在工装上实现完全定位。

如图6结合图8所示，压模9上设置有圆弧过渡段，有助于更好地对弹簧片3上端的L型实施折弯，避免冲压时的剪切力对弹簧片3造成破坏。

为了进一步提高光学元件1的定位精度，弹簧片3的侧面采用精磨工艺。安装工装6的上端面可采用手工刮研的工艺，用以提高其上端面的平面度精度。

本发明所述的安装方法不限于背景技术中心的拼接光栅的安装，还可以适用于多种安装空间紧凑、易受高冲击负载、大幅温变或有密封需求的透镜安装，也不限于平面镜，还可通过重新设计压模的几何形状安装凸面透镜。

本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等形成的技术方案，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于大尺寸拼接光学元件的支撑结构，其特征在于，包括光学元件、锁紧装置和框架，多个光学元件通过锁紧装置固定安装在框架上；

所述光学元件在框架内排布，多个光学元件在框架内形成光学元件组，相邻光学元件之间的最大间隙小于1mm，光学元件具有底部定位面和侧边定位面；

所述框架的内部设置有定位台肩，定位台肩的上端面与水平面之间具有倾角，对光学元件的底部定位面形成支撑；

所述锁紧装置包括弹簧片，弹簧片被置于光学元件与定位台肩之间，弹簧片的上端从相邻光学元件的间隙中延伸出，对光学元件的侧边形成包裹，弹簧片的侧面对侧边定位面形成定位，弹簧片的下端与定位台肩连接。

2.根据权利要求1所述的用于大尺寸拼接光学元件的支撑结构，其特征在于，每个光学元件的侧边定位面上设置有多个锁紧装置，每个光学元件的侧边定位面的对面上至少设置有一个锁紧装置，相邻光学元件的锁紧装置在间隙中相互交错。

3.根据权利要求1所述的用于大尺寸拼接光学元件的支撑结构，其特征在于，所述弹簧片在光学元件的侧边形成C型包裹，C型包裹的一端向下延伸形成弹簧片的固定端，固定端通过紧固件与定位台肩的侧面相连。

4.根据权利要求1所述的用于大尺寸拼接光学元件的支撑结构，其特征在于，所述弹簧片与光学元件之间设置有粘结胶层，弹簧片与粘结胶层的厚度之和等于相邻光学元件之间的最大间隙。

5.根据权利要求1所述的用于大尺寸拼接光学元件的支撑结构，其特征在于，所述定位台肩的上端面呈折线型，与水平面之间具有多个倾角，支撑同一个光学元件的定位台肩的上端面的倾角相同。

6.一种根据权利要求1-5中任意一项所述的用于大尺寸拼接光学元件的支撑结构的安装方法，其特征在于，包括以下步骤：

弹簧片与光学元件接触的侧面上设置粘结胶层；

弹簧片的固定端与工装上的定位孔连接，工装上的定位孔与安装光学元件的框架上的定位孔位置一致；

光学元件被放置在工装上，调整光学元件的位置，使得光学元件的底部定位面、侧边定位面均刚好与粘结胶层相接触，完成定位；

工装上端设置的压模在冲头组件的带动下，压模对弹簧片施加压力，将弹簧片的L型上端折弯成C型，对光学元件的侧边形成C型包裹，完成光学元件的预装件；

将预装件从工装上拆下，安装至框架上。

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