CN115308873A - 机载自由曲面反射镜柔性支撑装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于机载反射镜柔性支撑技术领域，具体涉及一种机载自由曲面反射镜柔性支撑装置，包括镜框以及置于镜框背部的多个柔性支腿；所述镜框为中心处开设有中心方孔的多边形轴对称结构；柔性支腿包括连接件以及分别与连接件连接的两个柔性支脚；柔性支脚包括依次连接的第一处柔性结构、支脚、第二处柔性结构和柔性支腿对外安装接口；第一处柔性结构均通过连接件与镜框背部连接；支脚上还开设柔性槽；镜框与连接件之间还设置修切垫。本发明具有高精度和高稳定性，释放装配应力和温度应力，还具有结构紧凑，易于安装和集成的优点。

Description

机载自由曲面反射镜柔性支撑装置

技术领域

本发明属于机载反射镜柔性支撑技术领域，具体涉及一种机载自由曲面反射镜柔性支撑装置。

背景技术

随着光学遥感技术的不断发展，机载遥感仪器的技术指标不断提高，光学系统的设计难度越来越高；为实现更高的仪器设计指标，更优的光学成像质量，所以对光学系统中的各光学元件的镜面形状要求也越来越复杂，所以光学自由曲面技术逐渐成为光学仪器研制中的热点问题和前沿问题。

光学自由曲面技术通过将光学元件的镜面形状设计为自由曲面，使光学系统能实现更好的像差校正，并提高成像质量；减少系统光学元件的数量及重量，并提高系统的光通量；能实现更优的光路折叠和更加灵活的光学设计。但自由曲面光学元件不同于常见的光学元件，且在光学系统中往往是核心元件，现有的自由曲面反射镜存在以下问题：(1)现有的支撑结构存在稳定性差、精度低的问题，直接影响光学遥感仪器的成像质量；(2)在现有的自由曲面反射镜中，有效通光口径大多为椭圆形，使得在较大尺寸的紧凑型光学系统中，反射镜的体积大、重量较重，使用不便；(3)现有的自由曲面反射镜，光学元件相位调整和安装空间有限，给安装调节带来不便。

发明内容

针对现有反射镜的支撑装置存在的精度和稳定性差的技术问题，本发明提供一种机载自由曲面反射镜柔性支撑装置，具有高精度和高稳定性，释放装配应力和温度应力，还具有结构紧凑，易于安装和集成的优点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种机载自由曲面反射镜柔性支撑装置，包括镜框以及置于镜框背部的多个柔性支腿；所述镜框为中心处开设有中心方孔的多边形轴对称结构。

进一步的，所述柔性支腿包括连接件以及分别与连接件连接的两个柔性支脚；所述柔性支脚包括依次连接的第一处柔性结构、支脚、第二处柔性结构和柔性支腿对外安装接口；所述第一处柔性结构均通过连接件与镜框背部连接；所述支脚上还开设柔性槽；所述镜框与连接件之间还设置修切垫。

进一步的，所述柔性支腿为3个，3个柔性支腿分布在镜框背部上且3个柔性支腿的连线形成等腰三角形结构。

进一步的，所述机载自由曲面反射镜柔性支撑装置还包括置于镜框背部的多个柔性挡片；所述多个柔性挡片与多个柔性支腿交错设置。

进一步的，所述柔性挡片包括片体以及分别设置在片体上的水平柔性槽和垂直柔性槽；所述水平柔性槽轴向与垂直柔性槽轴向垂直；所述片体与镜框背部连接；所述水平柔性槽和垂直柔性槽均为一个或多个。

进一步的，所述水平柔性槽包括第一水平柔性槽、第二水平柔性槽、第三水平柔性槽和第四水平柔性槽；所述垂直柔性槽包括第一垂直柔性槽；所述第一水平柔性槽轴向和第二水平柔性槽轴向平行，且所述第一垂直柔性槽的轴向从柔性挡片边缘向柔性挡片中心延伸穿过第二水平柔性槽后与第一水平柔性槽连通；所述第三水平柔性槽和第四水平柔性槽沿第一垂直柔性槽轴向对称分布并延伸至柔性挡片边缘处，所述第三水平柔性槽轴向与第一水平柔性槽轴向平行。

进一步的，所述柔性挡片为3个，3个柔性挡片分布于镜框背部上，3个柔性挡片的中心点连线形成正三角形结构；所述等腰三角形结构的顶点位于正三角形结构的底边的下方，且所述等腰三角形结构的顶点和正三角形结构的顶点的连线与镜框竖直方向轴线平行，所述等腰三角形结构的底边位于正三角形结构的底边的下方。

进一步的，所述机载自由曲面反射镜柔性支撑装置还包括设置在镜框外侧壁上且与中心方孔连通的多个小型注胶孔。

进一步的，所述中心方孔的孔壁上设置溢胶槽，所述溢胶槽呈十字形。

进一步的，所述溢胶槽为两个，沿镜框的中轴线对称分布在中心方孔的孔壁上。

本发明的有益效果是：

1、本发明光学元件加工成多边形镜体，一方面能减少光学系统的体积和重量，另一方面也为光学元件相位调整和安装提供更充足的空间，方便调节安装。

2、本发明提出的机载自由曲面反射镜柔性支撑装置，设置了多处柔性支腿作为柔性支撑，且柔性支腿与bipod支腿结构相同，便于整个装置在温度大幅变化时的应力释放，提高装置的稳定性。

3、本发明提出的机载自由曲面反射镜柔性支撑装置，在镜框背部设置多处柔性挡片，每个柔性挡片上均设置有多处不同方向的柔性槽，辅助支撑自由曲面反射镜的固定，结构紧凑，提高装置的可靠性，此外，通过合理的减重槽的轻量化设计，降低了装置的重量，从而降低发射成本。

4、本发明提供的机载自由曲面反射镜柔性支撑装置，采用小点多孔环氧胶粘接方式进行自由曲面反射镜的固定，降低了环氧胶胶合固化应力对镜组面型的影响，并设置有合理的溢胶槽，更好的保证胶层的厚度均匀性，提高了装置的力学稳定性。

附图说明

图1为本发明提供的机载自由曲面反射镜柔性支撑装置前轴测图；

图2为本发明提供的机载自由曲面反射镜柔性支撑装置后轴测图；

图3为本发明提供的镜框三维示意图；

图4为本发明提供的柔性支腿的三维示意图；

图5为本发明提供的柔性挡片的三维示意图；

其中：

1—镜框；11—小型注胶孔；12—垂直溢胶槽；13—水平溢胶槽；14—连接孔；15—挡片连接孔；16—减重槽；17—中心方孔；2—自由曲面反射镜；3—柔性支腿；31—镜框连接孔；32—第一处柔性结构；33—柔性槽；34—第二处柔性结构；35—柔性支腿对外安装接口；4—修切垫；5—柔性挡片；51—安装接口；52—第一水平柔性槽；53—第二水平柔性槽；54—第三水平柔性槽；55—第四水平柔性槽；56—第一垂直柔性槽。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例对本发明做详细的说明。

实施例1

参见图1～图3，本实施例提供的机载自由曲面反射镜柔性支撑装置，包括镜框1以及置于镜框1背部的柔性支腿3。

本实施例中，镜框1为轴向对称的八边形结构，镜框1的竖直高度大于水平宽度。镜框1的中心处开设有中心方孔17；自由曲面反射镜2镶嵌于中心方孔17内，且自由曲面反射镜2的镜面位于镜框1正面。中心方孔17的孔壁上设置溢胶槽，溢胶槽呈十字形。溢胶槽为两个，沿镜框1竖直方向的中轴线对称分布在中心方孔17孔壁上。镜框1外壁上设置有与中心方孔17连通的多个小型注胶孔11。

本实施例将光学元件加工成多边方形镜体，一方面能减少光学系统的体积和重量，另一方面也为光学元件相位调整和安装提供更充足的空间，方便调节安装。

具体的，中心方孔17外轮廓与自由曲面反射镜2类似，但其尺寸需保证装入自由曲面反射镜2后，单边仍具有0.1mm±0.05mm的间隙，此间隙用于注入2216环氧胶。

具体的，镜框1内的中心方孔17孔壁的左侧和孔壁右侧对称布置有多个小型注胶孔11，用于注入粘接镜体的环氧胶2216，从而将镜框1与自由曲面反射镜2的粘接固定，小型注胶孔11的直径不超过3mm，其数量需要根据自由曲面的重量和力学条件进行计算得到。

具体的，溢胶槽为十字形，具体包括垂直相交的垂直溢胶槽12和水平溢胶槽13，垂直溢胶槽12的轴向与镜框1的侧边相平行，水平溢胶槽13轴向与中心方孔17孔向相同，其作用是将从小型注胶孔11内注入多余的环氧胶进行溢出，保证胶层的厚度更加均匀，从而提高粘接强度。

具体的，镜框1上设置有3个连接孔14，用于将3个柔性支腿3安装在镜框1上，镜框1上设置有3个挡片连接孔15，便于将3个柔性挡片5与镜框1连接固定。镜框1外壁上设置有多个镜框减重槽16，用于减轻重量，降低发射成本。

本实施例中，自由曲面反射镜2加工为方形镜体，其背部是平面，前表面是自由曲面。

本实施例中，柔性支腿3为3个，3个柔性支腿3分布在镜框1背部上且3个柔性支腿3的连线形成等腰三角形结构。具体的，3个柔性支腿3分别设置在镜框1顶边中心处、左下边中心处上以及右下边中心处，三个柔性支腿3形成等腰三角形结构，顶边中心处的柔性支腿3为等腰三角形结构的顶点，左下边中心处的柔性支腿3以及右下边中心处的柔性支腿3连线为等腰三角形结构的底边。

本实施例提供的机载自由曲面反射镜柔性支撑装置，还设置于镜框1背部的柔性挡片5。

本实施例中，柔性挡片5为3个，3个柔性挡片5分布于镜框1背部上，3个柔性挡片5的连线形成正三角形结构。具体的，3个柔性挡片5分别设置在镜框1底边中心处、左侧边中心处上以及右侧边中心处，3个柔性挡片5形成正三角形结构，底边中心处的柔性挡片5为正三角形结构的顶点，左侧边中心处的柔性挡片5以及右侧边中心处的柔性挡片5连线为正三角形结构的底边。

3个柔性挡片5和3个柔性支腿3交错分布。具体的，3个柔性支腿3构成的等腰三角形结构的顶点位于3个柔性挡片5构成的正三角形结构的底边的下方，且等腰三角形结构的顶点和正三角形结构的顶点的连线与镜框1竖直方向轴线平行，等腰三角形结构的底边位于正三角形结构的底边的下方。

本实施例中，柔性支腿3作为自由曲面反射镜柔性支撑装置的对外安装连接装置，3个柔性挡片5通过研磨保证其等厚公差均在0.01mm以内，从而辅助支撑自由曲面反射镜2的固定，提高自由曲面反射镜2的稳定性和可靠性。本实施例中，在镜框1的背部共安装了6个柔性结构，可用来释放镜组的装配应力与温度应力。

上述实施时，柔性挡片5和柔性支腿3均设置3个，3个柔性支腿3构成三角形，3个柔性挡片5也组成三角形，三角形结构稳定性好；但是在实施时，柔性挡片5和柔性支腿3的数量为多个，可根据镜框1的形状进行设计，在实现稳定支撑的同时，通过柔性槽释放装配的装配应力与温度应力。

实施例2

在实施例1的基础上，参见图4，柔性支腿3为bipod柔性支腿，具体包括连接件以及分别设置在连接件上的两个柔性支脚；柔性支脚包括依次连接的第一处柔性结构32、支脚、第二处柔性结构34和柔性支腿对外安装接口35；第一处柔性结构32均通过连接件与镜框1背部连接；支脚上还开设柔性槽33；镜框1与连接件之间还设置修切垫4。

具体的，镜框1上设置有3处柔性支腿3的连接孔14，柔性支腿3的连接件上设置有镜框连接孔31，通过连接孔14和镜框连接孔31将镜框1与柔性支腿3连接固定。

柔性支腿3的连接件上连接设置有两条结构相同的柔性支脚。两条柔性支脚形成的夹角为α，0°＜α＜180°，柔性支脚的结构类似于bipod支脚，分别设置有第一处柔性结构32和第二处柔性结构34，支脚上设置柔性槽33，第一处柔性结构32与连接件连接，第二处柔性结构34连接有柔性支腿对外安装接口35。第一处柔性结构32和第二处柔性结构34形成的柔度方向不一致，即第一处柔性结构32最薄处厚度方向和第二处柔性结构34最薄处厚度方向垂直，两者最薄处的厚度方向是不一致的，柔度不同。两处柔性结构设置的作用是使得柔性支腿3在更多的方向上具有柔性，从而更好的发挥应力释放的作用。柔性槽33的主要作用使整个装置具有多方向的柔度，能够在复杂力、热环境中保持高位置精度、高姿态精度和高面形精度。此外，柔性槽33还作为整个装置的对外接口，便于整个装置与其他组件的集成装配。

实施时，两条柔性支脚的夹角大小，根据实际选择的镜框1的尺寸和柔性支腿3的数量，并利用有限元分析结果进行优化设计，但是夹角在0°＜α＜180°范围内；第一处柔性结构32的参数和第二处柔性结构34的参数。例如槽深度、槽宽度、最薄厚度等数据，均需通过优化算法进行迭代优化，求出最佳值。柔性结构的最佳值与镜框1的大小、尺寸、材料、力学条件有关，在使用时根据实际情况再进行优化。

进一步的，本实施例提供的机载自由曲面反射镜柔性支撑装置还包括分别设置在镜框1与连接件之间的修切垫4。修切垫4的作用是通过修研其厚度，保证柔性支腿对外安装接口35共面度小于0.01mm，从而保证整个装置与其他组件集成时的安装位置精度和姿态精度。

实施例3

在实施例2的基础上，参见图5，本实施例提供的柔性挡片5包括片体以及分别设置在片体上的水平柔性槽和垂直柔性槽；水平柔性槽轴向与垂直柔性槽轴向垂直；片体与镜框1背部连接；水平柔性槽和垂直柔性槽均为一个或多个。

本实施例提供一种柔性挡片5的较佳实施方式。

实施时，片体为长方形结构，水平柔性槽包括第一水平柔性槽52、第二水平柔性槽53、第三水平柔性槽54和第四水平柔性槽55；垂直柔性槽包括第一垂直柔性槽56；第一水平柔性槽52轴向和第二水平柔性槽53轴向平行，且第一垂直柔性槽56的轴向从柔性挡片5边缘向柔性挡片5中心延伸穿过第二水平柔性槽53后与第一水平柔性槽52连通；第三水平柔性槽54和第四水平柔性槽55沿第一垂直柔性槽56轴向对称分布并延伸至柔性挡片5边缘处，第三水平柔性槽54轴向与第一水平柔性槽52轴向平行。

具体的，柔性挡片5的片体经线切割加工而成，外形为长方形。柔性挡片5上设置有两个安装接口51，镜框1上设置有3处挡片连接孔15，通过挡片连接孔15和安装接口51实现镜框1和柔性挡片5连接固定。

具体的，第一水平柔性槽52与第二水平柔性槽53平行，第一垂直柔性槽56轴向与第二水平柔性槽53轴向垂直，第一垂直柔性槽56从柔性挡片5其中一个长边的中心点开始，沿着短边方向向柔性挡片5中心处延伸，先穿过第二水平柔性槽53中心，在与第一水平柔性槽52中部处汇合连通。第三水平柔性槽54轴向和第四水平柔性槽55轴向同轴，第三水平柔性槽54和第四水平柔性槽55对称置于第一垂直柔性槽56两侧并从靠近第一垂直柔性槽56处沿着柔性挡片5的长边向外延伸至柔性挡片5短边边缘处，第三水平柔性槽54轴向与第一水平柔性槽52轴向平行，两个安装接口51分别对应分布在第一水平柔性槽52两个端部的外侧。

本实施例中，在柔性挡片5上设置第一水平柔性槽52、第二水平柔性槽53、第三水平柔性槽54、第四水平柔性槽55和第一垂直柔性槽56，这五处柔性槽的主要作用是使柔性挡片5具有多个方向的柔度，便于复杂温度应力的释放，也可克服常见的单柔度挡片释放应力不足的缺点；更好的释放温度应力，防止在温度大幅度变化时，因不同材料的热膨胀系数不一致，导致柔性挡片5挤压自由曲面反射镜2，增大粘接环氧胶的剪切载荷，从而影响整个装置的可靠性。

本发明提出的一种机载自由曲面反射镜柔性支撑装置，采用小点多孔环氧胶粘接方式进行自由曲面反射镜的固定，降低了环氧胶胶合固化应力对镜组面型的影响，并设置有合理和溢胶槽，更好的保证胶层的厚度均匀性，提高了装置的力学稳定性；设置多处柔性支腿，便于整个装置在复杂力热环境中应力释放，提高了装置的力、热稳定性；设置多处背部柔性挡片，辅助支撑自由曲面反射镜的固定，并用于释放残余应力，装置结构紧凑，提高了装置的可靠性，此外，通过合理的轻量化设计，降低了装置的重量，从而降低发射成本。

Claims (10)

1.一种机载自由曲面反射镜柔性支撑装置，其特征在于，包括镜框(1)以及置于镜框(1)背部的多个柔性支腿(3)；所述镜框(1)为中心处开设有中心方孔(17)的多边形轴对称结构。

2.根据权利要求1所述的机载自由曲面反射镜柔性支撑装置，其特征在于，所述柔性支腿(3)包括连接件以及分别与连接件连接的两个柔性支脚；所述柔性支脚包括依次连接的第一处柔性结构(32)、支脚、第二处柔性结构(34)和柔性支腿对外安装接口(35)；所述第一处柔性结构(32)均通过连接件与镜框(1)背部连接；所述支脚上还开设柔性槽(33)；所述镜框(1)与连接件之间还设置修切垫(4)。

3.根据权利要求2所述的机载自由曲面反射镜柔性支撑装置，其特征在于，所述柔性支腿(3)为3个，3个柔性支腿(3)分布在镜框(1)背部上且3个柔性支腿(3)的连线形成等腰三角形结构。

4.根据权利要求3所述的机载自由曲面反射镜柔性支撑装置，其特征在于，所述机载自由曲面反射镜柔性支撑装置还包括置于镜框(1)背部的多个柔性挡片(5)；所述多个柔性挡片(5)与多个柔性支腿(3)交错设置。

5.根据权利要求4所述的机载自由曲面反射镜柔性支撑装置，其特征在于，所述柔性挡片(5)包括片体以及分别设置在片体上的水平柔性槽和垂直柔性槽；所述水平柔性槽轴向与垂直柔性槽轴向垂直；所述片体与镜框(1)背部连接；所述水平柔性槽和垂直柔性槽均为一个或多个。

6.根据权利要求5所述的机载自由曲面反射镜柔性支撑装置，其特征在于，所述水平柔性槽包括第一水平柔性槽(52)、第二水平柔性槽(53)、第三水平柔性槽(54)和第四水平柔性槽(55)；所述垂直柔性槽包括第一垂直柔性槽(56)；所述第一水平柔性槽(52)轴向和第二水平柔性槽(53)轴向平行，且所述第一垂直柔性槽(56)的轴向从柔性挡片(5)边缘向柔性挡片(5)中心延伸穿过第二水平柔性槽(53)后与第一水平柔性槽(52)连通；所述第三水平柔性槽(54)和第四水平柔性槽(55)沿第一垂直柔性槽(56)轴向对称分布并延伸至柔性挡片(5)边缘处，所述第三水平柔性槽(54)轴向与第一水平柔性槽(52)轴向平行。

7.根据权利要求6所述的机载自由曲面反射镜柔性支撑装置，其特征在于，所述柔性挡片(5)为3个，3个柔性挡片(5)分布于镜框(1)背部上，3个柔性挡片(5)的中心点连线形成正三角形结构；所述等腰三角形结构的顶点位于正三角形结构的底边的下方，且所述等腰三角形结构的顶点和正三角形结构的顶点的连线与镜框(1)竖直方向轴线平行，所述等腰三角形结构的底边位于正三角形结构的底边的下方。

8.根据权利要求1-7任一项所述的机载自由曲面反射镜柔性支撑装置，其特征在于，所述机载自由曲面反射镜柔性支撑装置还包括设置在镜框(1)外侧壁上且与中心方孔(17)连通的多个小型注胶孔(11)。

9.根据权利要求8所述的机载自由曲面反射镜柔性支撑装置，其特征在于，所述中心方孔(17)的孔壁上设置溢胶槽，所述溢胶槽呈十字形。

10.根据权利要求9所述的机载自由曲面反射镜柔性支撑装置，其特征在于，所述溢胶槽为两个，沿镜框(1)竖直方向的中轴线对称分布在中心方孔(17)孔壁上。

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