CN116068713A - 一种用于低温光学系统元件安装的稳定支撑装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于低温光学系统元件安装的稳定支撑装置及系统，以解决现有低温下光学元件的支撑结构复杂，无法很好控制元件间的间隔量，温度剧烈变化且变化次数较多时补偿调节响应能力下降的技术问题。该装置包括低温间隔调节骨架和分别位于其两侧的含有两个结构支撑件和一个光学元件连接件的低温间隔支撑组件；结构支撑远离光学元件连接件的端部与低温间隔调节骨架之间柔性连接；两个结构支撑件靠近光学元件连接件的端部之间的距离，大于两个结构支撑件靠近低温间隔调节骨架的端部之间的距离；结构支撑件和光学元件连接件的热膨胀系数，均大于低温间隔调节骨架的热膨胀系数。

Description

一种用于低温光学系统元件安装的稳定支撑装置及系统

技术领域

本发明涉及光学系统元件支撑装置，具体涉及一种用于低温光学系统元件安装的稳定支撑装置及系统。

背景技术

在光学工程领域，光机系统内部光机结构组件对环境状态十分敏感，波动的外部温度状态会造成光机结构零件尺寸的变化。尤其是红外光学系统，为了降低热背景辐射对系统的影响，通常需要对整个红外光机系统进行整体降温并进行辐射抑制和隔热处理，其工作温度往往会较常温低几十甚至上百摄氏度。此种温度波动剧烈的工况，传统低温系统结构组件以及光学组件会产生大量位置偏移(刚体位移)，并因各连接元件间的热膨胀系数不匹配造成挤压变形，产生热应力，导致光学元件方位、俯仰角度偏差，引起光学表面面形变化，严重时甚至还会造成光学系统破坏，严重影响系统正常运行。

温度载荷波动影响下的高热稳定性和微应力支撑结构是保证光学系统正常工作的关键技术。元件间隔保证通常通过隔圈实现，对于两平行的光学元件，其在温度波动载荷作用下只存在相对间隔的改变，可通过提前计算变化量设置隔圈预置量，但对于两不平行元件的间隔保证，其不仅存在间隔变化，温度载荷下还会因隔圈厚度分布不同造成光学元件俯仰、方位角度的变化，且很难通过预置量进行修正，严重影响光学系统性能。目前针对160K左右低温环境的低温稳定支撑结构的研究不多，很多支撑结构较为复杂、且无法很好控制元件间的间隔量，温度变化较为剧烈且变化次数较多时补偿调节响应能力下降，甚至产生多余的应力，进而导致系统光学元件相对位置变化，成像状态改变，调制度降低，影响系统性能。

发明内容

本发明目的在于解决现有低温下光学元件的支撑结构复杂，无法很好控制元件间的间隔量，温度剧烈变化且变化次数较多时补偿调节响应能力下降，产生多余的应力的技术问题，提出一种用于低温光学系统元件安装的稳定支撑装置及系统，以保证光学元件低温间隔，提高光机系统低温性能稳定性。

本发明提供的技术方案为：

一种用于低温光学系统元件安装的稳定支撑装置，其特殊之处在于：

包括低温间隔调节骨架和分别位于所述低温间隔调节骨架两侧的两个低温间隔支撑组件；

所述低温间隔支撑组件包括依次柔性连接的结构支撑件、光学元件连接件和结构支撑件；

所述结构支撑远离光学元件连接件的端部与低温间隔调节骨架之间柔性连接；所述光学元件连接件远离所述低温间隔调节骨架的一侧具有元件安装面；光学元件连接件的元件安装面与待支撑光学元件固定连接；

两个所述低温间隔支撑组件以第一对称面呈镜像对称，且以第二对称面呈镜像对称；所述第一对称面与所述元件安装面平行；所述第二对称面与所述元件安装面垂直，且所述低温间隔支撑组件的两个结构支撑件分别位于所述第二对称面的两侧；

所述低温间隔支撑组件中，两个所述结构支撑件靠近所述光学元件连接件的端部之间的距离，大于两个所述结构支撑件靠近所述低温间隔调节骨架的端部之间的距离；

所述结构支撑件的热膨胀系数和光学元件连接件的热膨胀系数，均大于所述低温间隔调节骨架的热膨胀系数。

进一步地，所述低温间隔支撑组件及低温间隔调节骨架的尺寸和材料，满足如下公式：

其中，a为结构支撑件在第一温度下的两个端部之间的间距，结构支撑件的两个端部分别为结构支撑件与光学元件连接件的连接端、结构支撑件与所述低温间隔调节骨架的连接端；

c为低温间隔调节骨架在第一温度下的两个端部之间的间距，低温间隔调节骨架的两个端部分别为低温间隔调节骨架与同一低温间隔支撑组件的两个所述结构支撑件的连接端；

b为光学元件连接件在第一温度下的两个端部之间的间距，光学元件连接件的两个端部分别为光学元件连接件与两个所述结构支撑件的连接端；

ΔT为低温间隔支撑组件及低温间隔调节骨架处于第二温度时，相较于第一温度的温度变化量，第二温度低于第一温度；

α_a为结构支撑件的热膨胀系数；α_b为低温间隔调节骨架的热膨胀系数；α_c为光学元件连接件的热膨胀系数。

进一步地，所述结构支撑件和光学元件连接件的材料相同。

进一步地，所述结构支撑件和所述光学元件连接件的材料为铝合金；所述低温间隔调节骨架的材料为因瓦合金。

进一步地，所述元件安装面的平面度优于0.01mm。

进一步地，所述结构支撑件与所述光学元件连接件之间铰接；

所述结构支撑件与所述低温间隔调节骨架之间铰接。

进一步地，所述结构支撑件与所述光学元件连接件之间，采用可形变连接件连接；

所述结构支撑件与所述低温间隔调节骨架之间，采用可形变连接件连接。

进一步地，两个不同的所述低温间隔支撑组件中相邻的两个结构支撑件，靠近所述低温间隔调节骨架的端部相互连接为连接段；所述连接段连接于所述低温间隔调节骨架的端部；所述结构支撑件在连接段处受力的形变能力，大于所述结构支撑件中间段受力的形变能力。

本发明还提供一种用于低温光学系统元件安装的稳定支撑系统，其特殊之处在于：包括至少一个上述用于低温光学系统元件安装的稳定支撑装置。

本发明的有益效果：

1、本发明包括两个低温间隔支撑组件、低温间隔调节骨架，低温间隔支撑组件的元件安装面分别抵接在需要支撑的两个光学元件的表面，低温间隔调节骨架安装在两个低温间隔支撑组件中间，低温间隔支撑组件的热膨胀系数大于低温间隔调节骨架，在温度变化的过程中通过材料的热膨胀系数差异，各元件间相互作用改变支撑组件内部结构状态，保证两个低温间隔支撑组件的两安装面相对间隔动态稳定，不随温度变化发生巨幅变化，从而保证两侧光学元件低温间隔稳定，增加光机系统的稳定性，减少热变形对系统的影响，具有结构简单，环境适应性强、加工及装配方便的优点。

2、本发明提供低温间隔支撑组件的结构支撑连接件与光学元件连接件之间，结构支撑件与低温间隔调节骨架之间均为柔性连接，可以是柔性关节或铰接，通过柔性结构的可变性性质允许元件间相对位置的变化，改变支撑组件整体结构状态，减小元件安装面变形时的多余弯曲和应力，提供良好的安装面平面度和安装面间隔尺寸的稳定性，稳定性较强。

3、采用柔性微应力支撑结构形式，对系统热载荷和力学冲击载荷引起的变形进行吸收和缓冲，保证光学元件表面不会承受较大的载荷作用，提高系统光学表面的面形精度，稳定光学系统性能。

4、本发明可根据不同的应用需求，不同的低温温度环境，调整低温间隔支撑组件和低温间隔调节骨架的尺寸和选用的材料种类，通过建立低温光学系统元件间隔安装稳定性支撑结构载荷作用下变形状态的数学模型，可以得到不同环境状态、安装要求下的结构系统材料特性及尺寸参数，该结构模型可应用于温度波动较大的各类光机系统，可适用于两平行元件间的相对位置稳定性保证，也可适用于两不平行元件间相对位置稳定性保证，应用领域广阔。

附图说明

图1为本发明用于低温光学系统元件安装的稳定支撑装置实施例1结构示意图；

图2为本发明实施例1在常温和低温状态下结构示意图，其中I为常温原始状态，II中虚线为低温变形后的状态；

图3为本发明用于低温光学系统元件安装的稳定支撑装置实施例2结构示意图；

图4为本发明用于低温光学系统元件安装的稳定支撑装置实施例3结构示意图。

附图标记如下：

1-低温间隔支撑组件，11-结构支撑件，12-光学元件连接件，3-低温间隔调节骨架。

具体实施方式

柔性连接指可活动的铰接，也可以是在两个部件相接处设置柔性关节等实现可形变连接，例如，结构支撑件11与光学元件连接件12的连接，可以是铰接，当低温下形变时，稳定支撑装置变形，结构支撑件11通过铰接处实现连接状态的改变，参见实施例1；也可以是可形变连接结构(参见实施例2)或将连接处的设计为形变量大的结构(参见实施例3)；另外，本实施例中的低温是指160K低温环境。

实施例1

参见图1-图2，本实施例一种用于低温光学系统元件安装的稳定支撑装置，该装置包括低温间隔调节骨架3和分别位于低温间隔调节骨架3两侧的两个低温间隔支撑组件1，低温间隔调节骨架3用于保证低温结构稳定性，通过低温间隔调节骨架3长度随温度变化的收缩/伸长，调整两个低温间隔支撑组件1的间距。

低温间隔支撑组件1包括依次铰接的结构支撑件11、光学元件连接件12和结构支撑件11，保证相邻结构支撑件11与光学元件连接件12在低温载荷作用下可以发生相对位置的变化，以保证光学元件安装面间隔尺寸的稳定性。

结构支撑件11远离光学元件连接件12的端部与低温间隔调节骨架3之间铰接；光学元件连接件12远离低温间隔调节骨架3的一侧具有元件安装面，元件安装面的平面度优于0.01mm，以保证其与被安装元件能够可靠贴合定位；两个低温间隔支撑组件1的元件安装面均留有修切余量，用于实际安装调试过程中被连接光学元件间隔的调整，保证系统间隔尺寸精度要求。两个光学元件连接件12的两个元件安装面均与待支撑光学元件固定连接，连接方式可以螺钉连接或粘接或铆接，以保证待支撑光学元件与元件安装面始终贴合，低温变形状态同步。

两个低温间隔支撑组件1以第一对称面呈镜像对称，且以第二对称面呈镜像对称；第一对称面与元件安装面平行；第二对称面与元件安装面垂直，且低温间隔支撑组件1的两个结构支撑件11分别位于第二对称面的两侧。

低温间隔支撑组件1中，两个结构支撑件11靠近光学元件连接件12的端部之间的距离，大于两个结构支撑件11靠近低温间隔调节骨架3的端部之间的距离；结构支撑件11的热膨胀系数和光学元件连接件12的热膨胀系数，均大于低温间隔调节骨架3的热膨胀系数，优选的，结构支撑件11和光学元件连接件12的材料相同；本实施例中，结构支撑件11和光学元件连接件12的材料为铝合金，低温间隔调节骨架3的材料为因瓦合金，通过温度载荷作用下结构支撑件11、光学元件连接件12及低温间隔调节骨架3变形状态的差异改变稳定支撑装置内部各元件相对位置，保证两侧元件安装面相对位置的稳定性。

根据低温间隔支撑组件1及低温间隔调节骨架3的尺寸和材料，建立数学模型，依据不同低温应用使用需求，及低温间隔支撑组件1中结构支撑件11和光学元件连接件12的长度和材料，低温间隔调节骨架3的长度和材料，公式如下：

其中，a为结构支撑件11在第一温度下的两个端部之间的间距，结构支撑件11的两个端部分别为结构支撑件11与光学元件连接件12的连接端、结构支撑件11与低温间隔调节骨架3的连接端；本实施例中的第一温度指常温常压(一个标准大气压，20℃)；

c为低温间隔调节骨架3在第一温度下的两个端部之间的间距，低温间隔调节骨架3的两个端部分别为低温间隔调节骨架3与同一低温间隔支撑组件1的两个结构支撑件11的连接端；

b为光学元件连接件12在第一温度下的两个端部之间的间距，光学元件连接件12的两个端部分别为光学元件连接件12与两个结构支撑件11的连接端；

ΔT为低温间隔支撑组件1及低温间隔调节骨架3处于第二温度时，相较于第一温度的温度变化量，本实施例中的第二温度指160K低温环境；

α_a为结构支撑件11的热膨胀系数；α_b为低温间隔调节骨架3的热膨胀系数；α_c为光学元件连接件12的热膨胀系数；根据上述公式，求解不同应用场景下，a与b的关系式，再结合实际应用状态确定元件安装的稳定支撑装置各结构参数，应用该参数即可设计加工出满足特定应用需求的稳定支撑装置。

根据上述数理模型，该稳定支撑装置可根据不同的应用需求，不同的低温温度环境，调整低温间隔支撑组件1和低温间隔调节骨架3的尺寸和选用的材料种类，可满足不同应用工况下的光学元件低温间隔稳定性需求。

参见图2，本实施例用于低温光学系统元件安装的稳定支撑装置在低温下发生形变，从状态Ⅰ到状态Ⅱ，实线为常温原始状态，虚线为低温变形后的状态。随着温度降低稳定支撑装置内部各元件会发生收缩，结构尺寸减小，由于低温间隔调节骨架3热膨胀系数远低于低温间隔支撑组件1，低温间隔调节骨架3收缩变形量很小，结构支撑件11、光学元件连接件12收缩变形量很大，低温状态即会造成结构支撑件11、光学元件连接件12之间角度的变化，结构支撑件11更加“竖直”，光学元件连接件12向上“抬起”，当低温下“抬起量”接近结构支撑件11元件收缩量在竖直方向的分量，则两个光学元件连接件12之间的高度变化无限接近0，低温间隔支撑组件1即可保证低温工况下间隔支撑的稳定性，两个光学元件连接件12之间的高度不变，Δh＝0，同时配合两侧光学元件柔性压紧装配，可以减小光学元件表面的应力并提供光学元件间隔的稳定性，实现温度波动作用下光学元件间隔稳定不变。

实施例2

参加图3，本实施例提供的用于低温光学系统元件安装的稳定支撑装置包含包括低温间隔调节骨架3和分别位于低温间隔调节骨架3两侧的低温间隔支撑组件1；低温间隔支撑组件1中的结构支撑件11、光学元件连接件12和结构支撑件11依次可形变连接，结构支撑件11远离光学元件连接件12的端部与低温间隔调节骨架3之间可形变连接；本实施例中，两个低温间隔支撑组件1为一体结构，通过低温间隔调节骨架3低温下变形提供沿低温间隔调节骨架3延伸方向，向低温间隔调节骨架3两端的“驱动力”，使低温间隔支撑组件1变形。本实施例提供的稳定支撑装置一般适用于光学元件之间间隔小(10mm以下)、小型光学元件之间的支撑；采用本实施例提供的稳定支撑装置设计简单、无过多组装程序，使用方便。

根据实际稳定支撑装置所需的尺寸选用柔性结构进行连接，选择需满足温度载荷作用下结构支撑件11、光学元件连接件12、低温间隔调节骨架3之间角度可自由变化，不存在较大的弯曲应力，以减少支撑组件各杆件的弯曲变形。

其他结构和数学模型设计与实施例1相同。

实施例3

参见图4，本实施例提供的用于低温光学系统元件安装的稳定支撑装置包含包括低温间隔调节骨架3和分别位于低温间隔调节骨架3两侧的低温间隔支撑组件1；两个不同的低温间隔支撑组件1中相邻的两个结构支撑件11，靠近低温间隔调节骨架3的端部相互连接为连接段；连接段固定于低温间隔调节骨架3的端部；结构支撑件11在连接段处受力的形变能力，大于结构支撑件11中间处受力的形变能力。沿平行于两个连接段之间的连线方向，连接段的尺寸小于结构支撑件11中间处的尺寸。在本实施例中，通过将结构支撑件11与光学元件连接件12的连接节点、结构支撑件11与低温间隔调节骨架3的连接节点(连接段)在结构设计上进行优化，使得在现温度波动时，上述连接节点为结构中较细的位置，是整个结构的“薄弱”环节，受载荷作用时更易发生形变，从而实现对整个稳定支撑装置的调节，实现两个低温间隔支撑组件1的元件安装面之间距离几乎不变，保证光学元件间隔稳定不变。本实施例可以通过线切割加工一整块材料制成，中间低温间隔调节骨架3的部分单独镶嵌或者粘接一个热膨胀系数较低的材料，即可完成装置的组装，该形式加工、装调方便，可以较好的控制安装精度，一体性更强。其他结构和数学模型设计与实施例1相同。

本公开通过两个结构支撑件11、一个光学元件连接件12及低温间隔调节骨架3的相互作用，可有效减少甚至消除低温间隔支撑组件1在剧烈温度波动作用下两安装面间的间隔变化，提高被支撑元件位置精度，减小光学元件表面面形的变化，且可适用于各种类型低温系统的元件间隔保持、元件稳定性定位的应用需求，有效的提高光机系统低温稳定性。

至少一个上述用于低温光学系统元件安装的稳定支撑装置组成用于低温光学系统元件安装的稳定支撑系统，具体的，一个稳定支撑装置用于设置在反射式光学元件的背面；多个稳定支撑装置的两个元件安装面之间距离相同，用于平行光学元件低温环境支撑；多个稳定支撑装置的两个元件安装面之间距离不相同，用于不平行光学元件低温环境支撑。

Claims (9)

1.一种用于低温光学系统元件安装的稳定支撑装置，其特征在于：

包括低温间隔调节骨架(3)和分别位于所述低温间隔调节骨架(3)两侧的两个低温间隔支撑组件(1)；

所述低温间隔支撑组件(1)包括依次柔性连接的结构支撑件(11)、光学元件连接件(12)和结构支撑件(11)；

所述结构支撑件(11)远离光学元件连接件(12)的端部与低温间隔调节骨架(3)之间柔性连接；所述光学元件连接件(12)远离所述低温间隔调节骨架(3)的一侧具有元件安装面；光学元件连接件(12)的元件安装面与待支撑光学元件固定连接；

两个所述低温间隔支撑组件(1)以第一对称面呈镜像对称，且以第二对称面呈镜像对称；所述第一对称面与所述元件安装面平行；所述第二对称面与所述元件安装面垂直，且所述低温间隔支撑组件(1)的两个结构支撑件(11)分别位于所述第二对称面的两侧；

所述低温间隔支撑组件(1)中，两个所述结构支撑件(11)靠近所述光学元件连接件(12)的端部之间的距离，大于两个所述结构支撑件(11)靠近所述低温间隔调节骨架(3)的端部之间的距离；

所述结构支撑件(11)的热膨胀系数和光学元件连接件(12)的热膨胀系数，均大于所述低温间隔调节骨架(3)的热膨胀系数。

2.根据权利要求1所述的用于低温光学系统元件安装的稳定支撑装置，其特征在于：所述低温间隔支撑组件(1)及低温间隔调节骨架(3)的尺寸和材料，满足如下公式：

其中：

a为结构支撑件(11)在第一温度下的两个端部之间的间距，结构支撑件(11)的两个端部分别为结构支撑件(11)与光学元件连接件(12)的连接端、结构支撑件(11)与所述低温间隔调节骨架(3)的连接端；

c为低温间隔调节骨架(3)在第一温度下的两个端部之间的间距，低温间隔调节骨架(3)的两个端部分别为低温间隔调节骨架(3)与同一低温间隔支撑组件(1)的两个所述结构支撑件(11)的连接端；

b为光学元件连接件(12)在第一温度下的两个端部之间的间距，光学元件连接件(12)的两个端部分别为光学元件连接件(12)与两个所述结构支撑件(11)的连接端；

ΔT为低温间隔支撑组件(1)及低温间隔调节骨架(3)处于第二温度时，相较于第一温度的温度变化量，第二温度低于第一温度；

α_a为结构支撑件(11)的热膨胀系数；α_b为低温间隔调节骨架(3)的热膨胀系数；α_c为光学元件连接件(12)的热膨胀系数。

3.根据权利要求2所述的用于低温光学系统元件安装的稳定支撑装置，其特征在于：

所述结构支撑件(11)和光学元件连接件(12)的材料相同。

4.根据权利要求3所述的用于低温光学系统元件安装的稳定支撑装置，其特征在于：所述结构支撑件(11)和所述光学元件连接件(12)的材料为铝合金；所述低温间隔调节骨架(3)的材料为因瓦合金。

5.根据权利要求4所述的用于低温光学系统元件安装的稳定支撑装置，其特征在于：

所述元件安装面的平面度优于0.01mm。

6.根据权利要求5所述的用于低温光学系统元件安装的稳定支撑装置，其特征在于：

所述结构支撑件(11)与所述光学元件连接件(12)之间铰接；

所述结构支撑件(11)与所述低温间隔调节骨架(3)之间铰接。

7.根据权利要求5所述的用于低温光学系统元件安装的稳定支撑装置，其特征在于：所述结构支撑件(11)与所述光学元件连接件(12)之间，采用可形变连接件连接；

所述结构支撑件(11)与所述低温间隔调节骨架(3)之间，采用可形变连接件连接。

8.根据权利要求1-7任一所述的用于低温光学系统元件安装的稳定支撑装置，其特征在于：

两个不同的所述低温间隔支撑组件(1)中相邻的两个结构支撑件(11)，靠近所述低温间隔调节骨架(3)的端部相互连接为连接段；所述连接段连接于所述低温间隔调节骨架(3)的端部；所述结构支撑件(11)在连接段处受力的形变能力，大于所述结构支撑件(11)中间段受力的形变能力。

9.一种用于低温光学系统元件安装的稳定支撑系统，其特征在于：包括至少一个权力要求1-8任一所述的用于低温光学系统元件安装的稳定支撑装置。

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