CN113021223B - 一种用于大口径平面反射镜的周圈少点夹持框及夹持方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于大口径平面反射镜的周圈少点夹持框及夹持方法，属于精密光机技术领域，夹持框包括框体、定位元件、压框和夹持元件，框体用于安装和夹持反射镜，定位元件的末端与反射镜相抵以定位反射镜，压框用于限制反射镜自框体内脱出，通过改变夹持元件与反射镜之间的间距，对反射镜的侧面及正面进行夹持，本发明借助夹持元件和定位元件，对反射镜的正面和侧面分别进行夹持，采用侧面中心线点夹持方式，降低夹持力对反射镜面形附加畸变的影响，从受力原理上保证夹持对反射镜面形的低应力性，结构可靠，夹持便捷，能够满足反射镜夹持附加面形畸变和夹持稳定性要求，有利于工程的批量推广。

Description

一种用于大口径平面反射镜的周圈少点夹持框及夹持方法

技术领域

本发明属于精密光机技术领域，具体地说涉及一种用于大口径平面反射镜的周圈少点夹持框及夹持方法。

背景技术

大口径平面反射镜(下文简称为反射镜)作为高功率固体激光装置的重要组成部分，其面形精度对激光的光束质量有着不可忽视的影响。若反射镜镜面发生变形，那么到达镜面不同点光束的光程就会发生变化，导致光束产生波前畸变，严重影响激光的光束质量。为了保证反射镜的面形精度，必须采用合适的夹持方式对反射镜进行固定，既要将反射镜稳固在夹持装置内，又要尽量减小反射镜夹持应力对附加面形畸变的影响。

目前，反射镜常见的夹持方式有背部支撑和周圈夹持。背部支撑是通过背部支撑点实现对反射镜的支撑，其中支撑点的数量及位置分布根据反射镜的尺寸和形状确定。采用背部支撑带来的反射镜附加面形畸变较小，且结构较为稳定，但由于背部支撑需要在反射镜背部打孔，增加了反射镜的加工难度。另外，背部支撑的适用范围具有一定的局限性，不能用于要求背部透光的反射镜。周圈夹持是利用反射镜的正面的边缘部分(通光口径以外)和侧面进行夹持，有点夹持和面夹持等方式，各个夹持点预紧力无法精确控制，直接导致了反射镜应力分布不均、面形精度难以控制，调控操作复杂，效率低。

发明内容

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种用于大口径平面反射镜的周圈少点夹持框及夹持方法，以满足反射镜夹持附加面形畸变和夹持稳固性要求。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于大口径平面反射镜的周圈少点夹持框，包括：

框体，用于安装和夹持反射镜；

位于框体正面的3个定位元件，定位元件的末端与反射镜相抵，用于定位反射镜；

位于框体背面的压框，所述压框与框体可拆卸连接，用于限制反射镜自框体内脱出；

以及位于框体侧面及压框上的夹持元件，通过改变夹持元件与反射镜之间的间距，对反射镜的侧面及正面进行夹持，位于压框上的夹持元件与定位元件对应设置。

进一步，所述反射镜与框体的正面、背面及侧面之间留有装配间隙。

进一步，所述装配间隙不超过2mm。

进一步，所述3个定位元件位于不同直线上，其中，1个定位元件位于框体的顶部，2个定位元件位于框体的底部。也就是说，通过3个定位元件确定平面，以减少形位误差，进而减少反射镜面形畸变。

进一步，所述框体上设有用于安装定位元件的定位孔。

进一步，所述定位元件为销柱，且销柱与定位孔过盈配合。

进一步，所述定位元件为螺栓，且螺栓与定位孔螺纹配合。

进一步，基于少点夹持原则，所述框体的每个侧面上设有2-4个夹持元件。

进一步，位于框体相对侧面上的夹持元件对应设置。

进一步，所述夹持元件包括夹持螺钉和安装座，所述安装座上设有第一夹持孔，所述夹持螺钉的末端贯穿第一夹持孔与反射镜相抵。

进一步，所述框体侧面及压框上均设有第二夹持孔，且第二夹持孔与第一夹持孔对应设置。

进一步，还包括固定元件，所述固定元件包括固定块和固定螺钉，所述固定块与夹持螺钉的头端相抵，所述安装座上设有第一固定孔，且固定螺钉贯穿固定块、第一固定孔与框体、压框螺纹连接，用于固定夹持元件。

进一步，所述框体侧面及压框上均设有第二固定孔，且第二固定孔与第一固定孔对应设置。

进一步，所述夹持螺钉与第二夹持孔螺纹连接，所述固定螺钉与第二固定孔螺纹连接。

进一步，所述夹持螺钉位于第一夹持孔的底部，且第一夹持孔的顶部与夹持螺钉之间留有间隙形成注胶孔，通过向注胶孔内注入胶体，以固定夹持螺钉。

进一步，所述夹持螺钉位于框体侧面中心线上，采用侧面中心线点夹持方式，降低夹持力对反射镜面形附加畸变的影响，从受力原理上保证夹持对反射镜面形的低应力性。

进一步，所述定位元件和夹持螺钉的末端均设有缓冲块。

进一步，所述缓冲块采用高分子材料制成，如树脂、纤维等。

另，本发明还提供一种用于大口径平面反射镜的周圈少点夹持框的夹持方法，包括如下步骤：

步骤S1、将框体、反射镜和压框进行装配形成反射镜模块，将反射镜模块竖直放置于干涉仪测试平台上，保证夹持元件与反射镜处于非接触状态，一次放置平衡时间满足要求后，进行一次面形测试并作为反射镜模块裸镜的面形数据；

步骤S2、将扭力扳手的扭力设置为正面加载设计值，拧紧位于压框上的夹持元件，完成反射镜正面夹持；

步骤S3、将扭力扳手的扭力设置为侧面加载设计值，按照上侧面、左右侧面和下侧面的顺序，拧紧位于框体侧面上的夹持元件，完成反射镜侧面夹持；

步骤S4、二次放置平衡时间满足要求后，进行二次面形测试并作为反射镜模块夹持的面形数据，夹持的面形数据与裸镜的面形数据差值即为夹持附加面形畸变，夹持附加面形畸变满足要求后，执行步骤S5，反之，调节框体侧面上夹持元件的数量及位置，重复执行步骤S1至S4；

步骤S5、安装固定元件，完成对夹持元件固定，向注胶孔内注入胶体，胶体凝固后即可。

进一步，所述步骤S1至S5在达到ISO14644-1规定的5级空气洁净标准的光学精密装配环境下进行。

进一步，所述步骤S1中，一次放置平衡时间不少于24h。

进一步，所述步骤S2中，根据反射镜的重量得到反射镜的重力，将反射镜的重力均摊至压框上的夹持元件得到平均加载值，将平均加载值换算成扭矩值即为正面加载设计值的最小值。

进一步，所述步骤S3中，根据反射镜的重量得到反射镜的重力，将反射镜的重力均摊至框体同一侧面上的夹持元件得到平均加载值，将平均加载值换算成扭矩值即为侧面加载设计值的最小值。

进一步，所述步骤S4中，反射镜模块受力状态改变后，二次放置平衡时间不少于4h。

进一步，当需要更换反射镜时，松动固定螺钉和夹持螺钉，将夹持元件和固定元件整体取下即可。

本发明的有益效果是：

1、借助夹持元件和定位元件，对反射镜的正面和侧面分别进行夹持，采用侧面中心线点夹持方式，降低夹持力对反射镜面形附加畸变的影响，从受力原理上保证夹持对反射镜面形的低应力性。

2、将固定元件和注胶方式结合，确保夹持螺钉夹持力的长期稳定性。

3、结构可靠，夹持便捷，能够满足反射镜夹持附加面形畸变和夹持稳定性要求，有利于工程的批量推广。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是框体的结构示意图；

图3是反射镜的结构示意图；

图4是压框的结构示意图；

图5是夹持元件与固定元件的拆分示意图。

附图中：1-框体、2-反射镜、3-压框、4-定位元件、5-夹持元件、6-安装座、7-固定座、8-固定螺钉、9-夹持螺钉、10-第一夹持孔、11-第一固定孔、12-侧面中心线。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。

实施例一：

如图1-图5所示，一种用于大口径平面反射镜的周圈少点夹持框，包括框体1、压框3、定位元件4和夹持元件5。其中，框体1为框架结构，其内部留有空腔，用于安装和夹持反射镜2，同时，框体正面设有3个定位元件4，定位元件4的末端与反射镜2相抵，用于定位反射镜2。压框3位于框体1背面，且压框3与框体1可拆卸连接，用于限制反射镜2自框体1内脱出。夹持元件5分别位于框体1侧面及压框3上，通过改变夹持元件5与反射镜2之间的间距，对反射镜2的侧面及正面进行夹持，位于压框3上的夹持元件与定位元件4对应设置。

所述反射镜2位于空腔内，且反射镜2的形状与内腔的形状匹配，同时，反射镜2与框体1的正面、背面及侧面之间留有装配间隙。优选的，所述装配间隙不超过2mm。本实施例中，所述反射镜2为长方体，其反射面为长方体的长高面称为正面。

所述3个定位元件4位于不同直线上，其中，1个定位元件4位于框体1的顶部，2个定位元件4位于框体1的底部。也就是说，通过3个定位元件4确定平面，以减少形位误差，进而减少反射镜2面形畸变。相对应的，所述框体1上设有用于安装定位元件4的定位孔。本实施例中，所述定位元件4为销柱，定位孔的直径为4mm，销柱直径为3mm，销柱头部直径为6mm，销柱厚度为2mm，也就是说，销柱与定位孔过盈配合。在其他一些实施例中，所述定位元件4还可为螺栓，且螺栓与定位孔螺纹配合。

基于少点夹持原则，所述框体1的每个侧面上设有2-4个夹持元件5。同时，位于框体1相对侧面上的夹持元件5对应设置。本实施例中，所述框体1的每个侧面上设有4个夹持元件5，且相对侧面上的夹持元件5对应设置。所述夹持元件包括夹持螺钉9和安装座6，所述安装座6上设有第一夹持孔10，所述夹持螺钉9的末端贯穿第一夹持孔10与反射镜2相抵，本实施例中，夹持螺钉9的直径为6mm。相对应的，所述框体1侧面及压框3上均设有与夹持螺钉螺纹配合的第二夹持孔，且第二夹持孔与第一夹持孔10对应设置，即夹持螺钉9的末端依次贯穿第一夹持孔10、第二夹持孔与反射镜2相抵，而夹持螺钉9的头端位于安装座6的外侧，所述外侧为远离反射镜2的一侧。也就是说，通过改变框体1侧面上的夹持螺钉9与反射镜2之间的间距，对反射镜2的侧面进行夹持，具体的，所述夹持螺钉9位于框体侧面中心线12上，采用侧面中心线点夹持方式，降低夹持力对反射镜2面形附加畸变的影响，从受力原理上保证夹持对反射镜面形的低应力性。由于位于压框3上的夹持元件与定位元件4对应设置，通过改变压框3上的夹持螺钉9与反射镜2之间的间距，对反射镜2的正面进行夹持。

同时，还包括用于提高夹持元件稳定性的固定元件，如图5所示。所述固定元件包括固定块7和固定螺钉8，所述固定块7与夹持螺钉9的头端相抵，所述安装座6上设有第一固定孔11，且固定螺钉贯穿固定块7、第一固定孔11与框体1、压框3螺纹连接，用于固定夹持元件5。相对应的，所述框体1的侧面及压框3上均设有第二固定孔，且第二固定孔与第一固定孔11对应设置，即固定螺钉依次贯穿固定块7、第一固定孔11与第二固定孔螺纹连接，也就是说，固定螺钉的末端嵌入第二固定孔内，并不与反射镜2产生接触，用于将夹持元件固定在框架1或压框3上。本实施例中，固定螺钉8设有2个，相对应的，第一固定孔11与第二固定孔均分别设有2个。为了直观的表达各部分结构，图5中固定螺钉8未嵌入第一固定孔11中。

此外，所述夹持螺钉9位于第一夹持孔10的底部，且第一夹持孔10的顶部与夹持螺钉9之间留有间隙形成注胶孔，通过向注胶孔内注入胶体，以固定夹持螺钉9。为保护反射镜2，所述定位元件4和夹持螺钉9的末端均设有缓冲块，且缓冲块的厚度不大于0.2mm。优选的，所述缓冲块采用高分子材料制成，如树脂、纤维等。

实施例二：

如图1-图5所示，一种用于大口径平面反射镜的周圈少点夹持框的夹持方法，对反射镜2侧面和正面的预紧力进行精确加载与调控，实现对大口径平面反射镜面形的控制与优化。在达到ISO14644-1规定的5级空气洁净标准的光学精密装配环境中，具体执行如下步骤：

步骤S1、将框体1、反射镜2和压框3进行装配形成反射镜模块，将反射镜模块竖直放置于干涉仪测试平台上，保证夹持元件5与反射镜2处于非接触状态，一次放置平衡时间不少于24h后，进行一次面形测试并作为反射镜模块裸镜的面形数据。

步骤S2、将扭力扳手的扭力设置为正面加载设计值，拧紧位于压框3上的夹持元件，完成反射镜正面夹持。

具体的，根据反射镜2的重量得到反射镜的重力，将反射镜2的重力均摊至压框3上的夹持元件得到平均加载值，将平均加载值换算成扭矩值即为正面加载设计值的最小值。

步骤S3、将扭力扳手的扭力设置为侧面加载设计值，按照上侧面、左右侧面和下侧面的顺序，拧紧位于框体1侧面上的夹持元件，完成反射镜侧面夹持。

具体的，根据反射镜2的重量得到反射镜的重力，将反射镜2的重力均摊至框体1同一侧面上的夹持元件得到平均加载值，将平均加载值换算成扭矩值即为侧面加载设计值的最小值。

步骤S4、二次放置平衡时间满足要求后，即反射镜模块受力状态改变后，二次放置平衡时间应不少于4h，进行二次面形测试并作为反射镜模块夹持的面形数据，夹持的面形数据与裸镜的面形数据差值即为夹持附加面形畸变，夹持附加面形畸变满足要求后，执行步骤S5，反之，调节框体1侧面上夹持元件的数量及位置，重复执行步骤S1至S4，调节正面加载设计值和侧面加载设计值。

步骤S5、安装固定元件，完成对夹持元件5固定，向注胶孔内注入胶体，胶体凝固后即可。当需要更换反射镜2时，松动固定螺钉8和夹持螺钉9，将夹持元件和固定元件整体取下即可。

借助夹持元件5和定位元件4，对反射镜2的正面和侧面分别进行夹持，采用侧面中心线点夹持方式，降低夹持力对反射镜面形附加畸变的影响，从受力原理上保证夹持对反射镜面形的低应力性。同时，将固定元件和注胶方式结合，确保夹持螺钉夹持力的长期稳定性。结构可靠，夹持便捷，能够满足反射镜夹持附加面形畸变和夹持稳定性要求，有利于工程的批量推广。

实施例三：

反射镜2为K9玻璃，外形尺寸为610mm×440mm×85mm。在达到ISO14644-1规定的5级空气洁净标准的光学精密装配环境中，具体执行如下步骤：

步骤S1、将框体1、反射镜2和压框3进行装配形成反射镜模块，将反射镜模块竖直放置于干涉仪测试平台上，保证夹持元件5与反射镜2处于非接触状态，一次放置平衡时间不少于24h后，进行一次面形测试并作为反射镜模块裸镜的面形数据。

步骤S2、将扭力扳手的扭力设置为正面加载设计值40cN*m，拧紧位于压框3上的夹持元件，完成反射镜正面夹持。

步骤S3、将扭力扳手的扭力设置为侧面加载设计值30cN*m，按照上侧面、左右侧面和下侧面的顺序，拧紧位于框体1侧面上的夹持元件，完成反射镜侧面夹持。

步骤S4、二次放置平衡时间满足要求后，即反射镜模块受力状态改变后，二次放置平衡时间应不少于4h，进行二次面形测试并作为反射镜模块夹持的面形数据，夹持的面形数据与裸镜的面形数据差值即为夹持附加面形畸变，夹持附加面形畸变满足要求(即技术指标要求)后，执行步骤S5，反之，调节框体1侧面上夹持元件的数量及位置，重复执行步骤S1至S4，调节正面加载设计值和侧面加载设计值。

步骤S5、安装固定元件，完成对夹持元件5固定，向注胶孔内注入502胶水，等待4小时，胶体凝固后即可。

本实施例中，反射镜模块裸镜的面形PV值为224nm，反射镜模块夹持的面形PV值为280nm，则夹持附加面形PV值为56nm，技术指标要求为160nm，说明夹持附加面形畸变满足技术指标要求。

采用申请号为201910380901.0公开的大口径激光传输反射镜精密夹持装置与预紧方法夹持本实施例中的反射镜，由于镜框组件在其四个侧面共开有48个阶梯孔，因此，属于多点夹持。裸镜的面形PV值为220nm，夹持的面形PV值为443nm，则夹持附加面形PV值为223nm，技术指标要求为160nm，说明夹持附加面形畸变不能满足技术指标要求。

综上所述，相较于多点夹持，本发明能够降低夹持力对反射镜面形附加畸变的影响，从受力原理上保证夹持对反射镜面形的低应力性。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (7)

1.一种用于大口径平面反射镜的周圈少点夹持框，其特征在于，包括：

框体，用于安装和夹持反射镜；

位于框体正面的3个定位元件，定位元件的末端与反射镜相抵，用于定位反射镜；

位于框体背面的压框，所述压框与框体可拆卸连接，用于限制反射镜自框体内脱出；

位于框体侧面及压框上的夹持元件，通过改变夹持元件与反射镜之间的间距，对反射镜的侧面及正面进行夹持，位于压框上的夹持元件与定位元件对应设置，所述夹持元件包括夹持螺钉和安装座，所述安装座上设有第一夹持孔，所述框体侧面及压框上均设有第二夹持孔，且第二夹持孔与第一夹持孔对应设置，所述夹持螺钉的末端贯穿第一夹持孔、第二夹持孔与反射镜相抵；

以及固定元件，所述固定元件包括固定块和固定螺钉，所述固定块与夹持螺钉的头端相抵，所述安装座上设有第一固定孔，用于固定夹持元件，所述框体侧面及压框上均设有第二固定孔，且第二固定孔与第一固定孔对应设置，所述固定螺钉贯穿固定块、第一固定孔与第二固定孔螺纹连接，所述夹持螺钉位于第一夹持孔的底部，且第一夹持孔的顶部与夹持螺钉之间留有间隙形成注胶孔，通过向注胶孔内注入胶体，以固定夹持螺钉。

2.根据权利要求1所述的一种用于大口径平面反射镜的周圈少点夹持框，其特征在于，所述反射镜与框体的正面、背面及侧面之间留有装配间隙。

3.根据权利要求1所述的一种用于大口径平面反射镜的周圈少点夹持框，其特征在于，所述框体的每个侧面上设有2-4个夹持元件，位于框体相对侧面上的夹持元件对应设置。

4.根据权利要求1所述的一种用于大口径平面反射镜的周圈少点夹持框，其特征在于，所述夹持螺钉位于框体侧面中心线上。

5.一种采用如权利要求1-4任一所述的用于大口径平面反射镜的周圈少点夹持框的夹持方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、将框体、反射镜和压框进行装配形成反射镜模块，将反射镜模块竖直放置于干涉仪测试平台上，保证夹持元件与反射镜处于非接触状态，一次放置平衡时间满足要求后，进行一次面形测试并作为反射镜模块裸镜的面形数据；

步骤S2、将扭力扳手的扭力设置为正面加载设计值，拧紧位于压框上的夹持元件，完成反射镜正面夹持；

步骤S3、将扭力扳手的扭力设置为侧面加载设计值，按照上侧面、左右侧面和下侧面的顺序，拧紧位于框体侧面上的夹持元件，完成反射镜侧面夹持；

步骤S4、二次放置平衡时间满足要求后，进行二次面形测试并作为反射镜模块夹持的面形数据，夹持的面形数据与裸镜的面形数据差值即为夹持附加面形畸变，夹持附加面形畸变满足要求后，执行步骤S5，反之，调节框体侧面上夹持元件的数量及位置，重复执行步骤S1至S4；

步骤S5、安装固定元件，完成对夹持元件固定，向注胶孔内注入胶体，胶体凝固后即可。

6.根据权利要求5所述的用于大口径平面反射镜的周圈少点夹持框的夹持方法，其特征在于，一次放置平衡时间不少于24h，二次放置平衡时间不少于4h。

7.根据权利要求6所述的用于大口径平面反射镜的周圈少点夹持框的夹持方法，其特征在于，当需要更换反射镜时，松动固定螺钉和夹持螺钉，将夹持元件和固定元件整体取下即可。

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