CN112470053B - 双金属光学安装座 - Google Patents

Abstract

一种光学机械设备，包括交界面，该交界面安装于另一交界面，其中，两个交界面由具有相同或相似热膨胀系数的材料制成，并且该光学机械设备包括被设计为用于补偿第二机械部件的交界面，该第二机械部件由具有与镜片或光子设备或仪器完全相同或相似的热膨胀系数的材料制成，而该镜片或光子设备或仪器通过一组完全受约束的滑动面保持或控制在一起，使得光学机械设备由两种或多种与其被安装于的材料以及其要保持或控制的材料的热膨胀系数相匹配的材料组成。

Description

双金属光学安装座

相关文件的交叉引用

本申请要求于2018年7月23日提交的美国临时专利申请No.62/702,003的权益。美国临时专利申请No.62/702,003的公开内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明总体上涉及光学安装座，更具体地说，涉及被配置为提供改善的光束指向稳定性和改善的波前畸变性能的光学安装座组件。

背景技术

如图1所示，典型的运动光学安装座由具有黄铜衬套和不锈钢调节螺丝的铝框架或具有黄铜衬套110和不锈钢调节螺丝120的不锈钢框架100制成。然后该光学安装座被拧紧在铝基座或不锈钢基座130上，其中基座的材料选择不必与光学安装座相同。铝或不锈钢光学元件140用弹簧连接在调节螺丝的尖端上，其中光学元件的材料的选择与框架的材料相同。玻璃镜片150通过固定螺钉被夹紧在光学元件140中。图2示出了一种保持有玻璃镜片170的典型的铝或不锈钢固定镜安装座160，该铝或不锈钢固定镜安装座160被拧紧在铝基座或不锈钢基座130上。这里的问题是，随着温度的变化，两种具有不同热膨胀系数(CTE)的不同材料将以不同的速率膨胀和收缩。这种在几何形状上的不均匀变化将导致两个零件之间的应力增强。发生这种情况时，会引起这些零件的接触表面产生应力，从而导致机械部件上产生应变。随着这种应变的增强，消光表面(matting surfaces)的物理形状开始扩大，但是以不同的速率引起滑动和夹紧运动。这些具有不同热膨胀系数的接触区域产生滑动面，两种材料的热膨胀系数之间的差别越大，则两部分之间在滑动面的运动就越大。两部分之间的这种滑动将导致系统的运动，从而损害光学安装座的长期光束指向稳定性。

由于接触区域以不同的速率膨胀或收缩，由不同CTE材料制成的系统还容易受到接触平面摇摆或接触点变化的影响。当两种具有不同热膨胀系数的材料通过螺纹连接或压配合连接的机械结合方式被固定在一起或被挤压在一起时，这种影响是值得关注的。在这些接触区域使用具有匹配的热膨胀系数的材料将显著地降低这种影响。

同样的问题也存在于镜片和光学镜头元件之间，这两种具有不同热膨胀系数的材料在其暴露于温度变化时也会产生应力。如果应力增强过多，这些应力将产生有害的光学畸变、镜片俯仰、有害的滑动面，或者甚至会导致镜片的破碎。

发明内容

本发明的实施例在可能的情况下匹配材料的热膨胀系数，在需要允许材料热膨胀的地方提供运动滑动面，并且还提供部件的精确位置。该实施例显著地减小了光机械系统中的应变，提供了更高水平的系统热稳定性。一个系统包括完全受到约束的运动滑动面，该运动滑动面设置在没有匹配热膨胀系数的部件之间，以防止这些单元之间产生应力增强，这个系统还包括具有相匹配的热膨胀系数的部件，例如光学元件安装框架和基座，以及光学元件和镜片，以防止这些单元之间产生应力增强。对系统中的热感应应力的控制会使得系统具有很少的应变或者没有应变，并提供一个非常稳定的光学系统。

本发明的实施例提供了一种由具有不同热膨胀系数的材料制成的光学安装座，包括一个保持有镜片的光学元件；其中，所述光学元件由热膨胀与所述镜片的热膨胀相匹配或基本匹配的材料制成，以防止在热变化期间所述光学元件和所述镜片之间形成应力；以及，其中光学安装座框架由热膨胀与安装所述光学安装座框架的结构的热膨胀相匹配或基本匹配的材料制成，以防止在热变化期间所述光学安装座框架和所述结构之间形成应力，其中，所述光学安装座还包括位于所述光学元件和所述光学安装座框架之间的滑动面，其中，所述滑动面允许所述光学元件相对于所述光学安装座框架以不同的速率进行膨胀和收缩，从而不会在所述光学元件和所述光学安装座框架之间产生应力，并且在运动质心附近的位置变化很小。

附图的简要说明

图1是一种典型的运动光学安装座。

图2是一种典型的固定镜安装座。

图3是根据一种实施例的固定的双金属安装座和运动的双金属安装座的等轴侧视图，其中示出了基板和镜片。

图4是根据一个实施例的固定的双金属安装座的等轴侧视图，其中示出了热膨胀矢量。

图5是根据一个实施例的运动的双金属安装座的等轴侧视图，其中示出了热膨胀矢量。

图6是根据一个实施例的固定的双金属安装座的剖视图，以使滑动面更清晰，还示出了热膨胀矢量。

图7是根据一个实施例的具有透明的背板的固定的双金属安装座的等轴侧视图，移除了一个弹簧和两个滚珠以使滑动面更清晰。

具体实施方式

根据本发明的原理所描述的示例性实施例意在结合相应的附图理解，这些附图应被认为是整个书面描述的一部分。在本文公开的本发明的实施例的描述中，任何对方向或方位的引用仅是为了便于描述，而不以任何方式限制本发明的范围。相关术语例如“低于”、“高于”、“水平”、“垂直”、“之上”、“之下”、“上”、“下”、“顶”和“底”以及它们的派生词(例如“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应理解为指的是当时所描述方向或在所讨论的附图中所示的方向。除非对这些相关术语有明确说明外，这些相关术语均仅为了便于描述，并不要求按照特定方向来构造或操作装置。除非另有明确说明外，例如“附接”、“粘接”、“连接”、“耦合”和“互相连接”等类似术语指的是，结构直接或通过中间结构间接地彼此固定或附接的关系，以及结构之间是活动地或刚性地附接或关联的关系。此外，本发明的特征和优势通过参考示例性实施例进行说明。因此，本发明明确地不应该被限于示出一些可能的非限制性的特征组合的示例性实施例，该可能的非限制性的特征组合可以单独存在或与其他特征组合；本发明的范围应由所附的权利要求书限定。

本公开描述了目前设想的实施本发明的最佳模式。该描述不应被理解为对本发明的限制，而是通过参考附图仅以说明性为目的地提供了本发明的示例，以向本领域的普通技术人员解释本发明的构造和优点。在附图的各种视角中，相同的附图标记表示相似或类似的部件。

在本发明的一种实施例中，如图3所示，CTE为0.4×10^-6/℃的典型的镜片180固定在由CTE为23.6×10^-6/℃的

铝铸板制成的典型的激光系统中，镜片180将与由CTE为0.52×10^-6/℃的36号因瓦合金(Invar36)制成的光学元件200配对，光学安装座框架210的基座将由CTE为23.6×10^-6/℃的

铝铸板制成。弹簧220将光学元件和光学安装座保持在一起。该系统将使得在温度变化时镜片和光学元件之间以及光学安装座框架和基座之间产生很小的应力增强，而在光学元件200与光学安装座框架210之间产生很高的应力增强。图4和图5示出了每种材料的线性热膨胀矢量大小的图形表示。从图4和图5中可以看出，镜片180的线性热膨胀矢量大小和光学元件200的线性热膨胀矢量大小基本匹配(CTE为0.4×10^-6/℃相比于CTE为0.52×10^-6/℃)，并且光学安装座框架210的线性热膨胀矢量大小和基座190的线性热膨胀矢量大小匹配(CTE为23.6×10^-6/℃相比于CTE为23.6×10^-6/℃)。但是，光学元件200的线性热膨胀矢量大小和光学安装座框架210的线性热膨胀矢量大小大约有1-2个数量级的差异(CTE为0.52×10^-6/℃相比于CTE为23.6×10^-6/℃)。

在本发明的一种实施例中，光学元件和光学安装座框架通过滑动面保持在一起，该滑动面在保持每个组件的相对位置的同时，防止在温度变化期间应力的累积增强。这将使得镜片相对于其安装到的基板的移动很小。这可以图6中看出，图6示出了已匹配材料的线性热膨胀矢量以及它们之间受控制的滑动面。就像图4和图5，图6示出了镜片具有用于光学有效载荷的线性热膨胀矢量610材料“B”，其与光学元件的线性热膨胀矢量620材料“B-匹配”匹配或基本匹配，并且系统基座具有热膨胀矢量630材料“A”，其与光学安装座框架的热膨胀矢量640材料“A-匹配”匹配或基本匹配。在通常情况下，图6示出了镜片和光学元件具有较小的矢量610、620，而基座和光学安装座框架具有较大的矢量630、640。图6中所示的滚珠轴承用于防止在光学元件和光学安装座框架之间的应力增强。滚珠轴承670具有一个较大的矢量承载面，该矢量承载面与光学安装座框架接触。滚珠轴承的线性热膨胀矢量650材料“A-匹配”与光学安装座框架的线性热膨胀矢量640材料“A-匹配”匹配或基本匹配。滚珠轴承具有一个较小的矢量承载面660，该矢量承载面与光学元件接触。在热膨胀或收缩期间，滚珠轴承允许光学安装座框架和光学元件相对滑动。

上面提到的材料是材料组合的一种示例，还有更多可能的组合，以提供更好的CET匹配或者允许更折中的CET与成本关系。如果要使用CTE为7.1×10^-6/℃的硼硅酸盐玻璃，例如BK7玻璃镜片，则可将CTE为5×10^-6/℃的光学元件可伐合金(Kovar)用作光学元件。

图7示出了在典型的6个位置的一组运动滑动面240的图形表示，这些运动滑动面约束了具有不同热膨胀系数的组件的位置，同时仍允许组件以不同的速率物理膨胀和收缩，并且在运动质心附近的位置变化很小。一个滚珠轴承250通常在3个位置接触于一组运动滑动面，为了更加清晰，另外两个滚珠轴承已被移开。为了更加清晰，光学安装座框架260已制成透明。弹簧270通常在3个位置施加力，以将光学安装座框架和光学元件280的运动约束滑动(kinematic constrained slip planes)保持在一起，为了更加清晰，一个弹簧已被移除。该视图示出了使用点球接触的固定运动系统，但也可以使用轴来创建线接触以提供完全受到约束的滑动面。为允许在热膨胀或收缩过程中实现平稳运动，滑动面接触区域将由可提供低摩擦系数的材料制成，在这些区域上可以涂一层薄薄的油脂或低摩擦涂层。

根据一些实施例的一些示例性滑动面结构包括：光学元件和光学安装座框架与六个光滑的滑动面保持接触，以允许很小应变或者没有应变的无应力热膨胀；光学元件和光学安装座框架与一个固定触点和三个附加的滑动面保持接触，以允许光学元件很小或者无运动的无应力热膨胀；光学元件和光学安装座框架与六个光滑的滑动面保持接触，以允许光学元件很小或者无运动的无应力热膨胀；光学元件和光学安装座框架与一个固定触点和三个附加的滑动面保持接触，以允许光学元件很小或者无运动的无应力热膨胀；包括六个光滑的滑动面，该光滑的滑动面被定向为允许在镜片的质心附近运动，以使质心的位置在暴露于热变化时保持固定或经历很小的变化；包括六个光滑的滑动面，该滑动面被定向为允许在其中任意单个点附近运动，以使该点的位置在暴露于热变化时保持固定或经历很小的变化；包括六个光滑的滑动面，该滑动面具有力加载机构，以产生将接触点保持抵靠于滑动面的可控制的力，其中，力加载机构可以从包括单个弹簧、多个弹簧和多个磁体的组中选择；包括六个光滑的滑动面，该六个光滑的滑动面两两成对，以形成三个V形槽；包括六个独立设置的光滑的滑动面；包括三个光滑的滑动面，该三个光滑的滑动面分别位于一个固定的三平面触点组中、一个两平面触点组和一个单平面触点中，以允许沿三个接触的平面产生热膨胀；包括三个光滑的滑动面，该三个光滑的滑动面分别位于一个固定锥形触点组、一个两平面触点组和一个单平面触点中，以允许沿三个接触的平面产生热膨胀；包括六个光滑的滑动面，该六个光滑的滑动面分别位于一组三个平面、一组两个平面和一个单个平面中。

尽管已经通过几个所描述的实施例详细且特定地描述了本发明，但是本发明不旨在受限于任何这样的细节或实施例或特定实施例，而是理解为应鉴于现有技术以提供尽可能广泛的解释，以有效地涵盖本发明的预定范围。此外，前述内容根据发明人所预见的能够实现的实施例描述了本发明，尽管如此，本发明的非实质性修改(目前未预见的)仍可以代表等同内容。

Claims (13)

1.一种光学安装座，包括：

光学安装座框架（210）；

保持镜片（180）的光学元件（200）；其中，所述光学元件（200）由热膨胀与所述镜片（180）的热膨胀相匹配或基本匹配的材料制成，以防止在热变化期间所述光学元件和所述镜片之间形成应力；以及

其中，光学安装座框架（210）由热膨胀与安装所述光学安装座框架的基座（190）的热膨胀相匹配或基本匹配的材料制成，以防止在热变化期间所述光学安装座框架和所述基座之间形成应力，

其中，制造所述光学元件的材料和制造所述光学安装座框架的材料具有不同的热膨胀系数，

其中，所述光学安装座还包括位于所述光学元件（200）和所述光学安装座框架（210）之间的滑动面（240），其中，所述滑动面允许所述光学元件相对于所述光学安装座框架以不同的速率和大小进行膨胀和收缩，从而不会增强所述光学元件和所述光学安装座框架之间的应力，并且在运动质心附近的位置变化很小。

2.根据权利要求1所述的光学安装座，其中，所述光学元件和所述光学安装座框架与六个光滑的滑动面保持接触，以允许无应变或几乎没有应变的无应力热膨胀。

3.根据权利要求1所述的光学安装座，其中，所述光学元件和所述光学安装座框架与一个固定触点和三个附加的滑动面保持接触，以允许所述光学元件小应变或无应变的无应力热膨胀。

4.根据权利要求1所述的光学安装座，其中，所述光学元件和所述光学安装座框架与六个光滑的滑动面保持接触，以允许所述光学元件小运动或无运动的无应力热膨胀。

5.根据权利要求1所述的光学安装座，其中，所述光学元件和所述光学安装座框架与一个固定触点和三个附加的滑动面保持接触，以允许光学元件小运动或无运动的无应力热膨胀。

6.根据权利要求1所述的光学安装座，还包括六个光滑的滑动面，所述滑动面被定向为允许在所述镜片的质心附近运动，以使所述质心在暴露于热变化时保持固定或经历很小的位置变化。

7.根据权利要求1所述的光学安装座，还包括六个光滑的滑动面，所述滑动面被定向为允许在其中的任意单个点附近运动，以使该点在暴露于热变化时保持固定或经历很小的位置变化。

8.根据权利要求1所述的光学安装座，还包括六个光滑的滑动面，所述滑动面具有力加载机构，以产生使接触点保持抵靠于所述滑动面的受控的力，其中，所述力加载机构从包括单个弹簧、多个弹簧和多个磁体的组中选择。

9.根据权利要求1所述的光学安装座，还包括六个光滑的滑动面，所述六个光滑的滑动面两两成对，以形成三个V形槽。

10.根据权利要求1所述的光学安装座，还包括六个独立设置的光滑的滑动面。

11.根据权利要求1所述的光学安装座，还包括三个光滑的滑动面，所述三个光滑的滑动面分别位于一个固定的三平面触点组、一个两平面触点组和一个单平面触点中，以允许沿三个接触的平面产生热膨胀。

12.根据权利要求1所述的光学安装座，还包括三个光滑的滑动面，所述三个光滑的滑动面分别位于一个固定锥形触点组、一个两平面触点组和一个单平面触点中，以允许沿三个接触的平面产生热膨胀。

13.根据权利要求1所述的光学安装座，还包括六个光滑的滑动面，所述六个光滑的滑动面分别位于一组三个平面、一组两个平面和一个单个平面中。

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