CN116560035B - 用于光学装调检测的标准平面镜支撑机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及平面镜支撑领域，具体提供一种用于光学装调检测的标准平面镜支撑机构，利用新型的钢丝绳与尼龙柱组合形成的吊带作为主要支撑，同时采用球面轴承来调节前后两组吊带，使标准平面镜在俯仰发生变化时能够使其在重力作用下支撑自平衡，即两组吊带在有细微高度差的情况下，仍然能够实现等力、稳定支撑，不会发生传统钢带支撑局部应力集中，影响标准平面镜的面形与整体的稳定性；并且采用分体拼接形式的主体框架，在较轻的重量下仍然能够保证整体的稳定性；为了保证标准平面镜稳定使用，采用多重柔性限位，轴向限位与径向限位单独设计，避免了耦合约束产生集中应力，同时也方便对标准平面镜在不同工况下的姿态进行监测调整。
Description
技术领域
本发明涉及平面镜支撑领域，具体提供一种用于光学装调检测的标准平面镜支撑机构。
背景技术
标准平面镜通常应用于光学元件的面形精度检测与系统装调，由高精度光学镜子以及机械支撑机构组成。标准平面镜用来辅助定量检测（如球面、非球面反射镜）时，其主要功能是使光线原路返回，经过主镜后进入干涉仪内进行成像测量；反射镜与透镜的精度检测原理类似，均为使测量光线原路返回至干涉仪。此外，在系统装调测试中，标准平面镜也会用来进行折转、反射光路，完成系统成像质量的检测。因此无论在元件检测还是在系统装调中，标准平面镜都非常重要，使用率非常高，其性能以及适用性是核心要素。标准平面镜的面形精度非常高，例如对于800mm大口径标准平面镜，其平面镜加工镀膜后的精度通常需要优于0.02λ@632.8nm，对于如此高精度的平面反射镜的保精度支撑，以及耐用、可靠、稳定的结构组件的设计难度较大。同时，标准平面镜的支撑设计不同于望远镜的主镜，标准平面镜为光轴水平或者光轴竖直使用，更多使用情况为镜面直立、光轴沿水平方向使用，在此种情况下，标准平面镜的支撑可简化为仅需考虑侧向支撑，轴向进行限位。
现有的口径在400mm以上的标准平面镜支撑结构通常为采用钢带材质的吊带支撑，在标准平面镜的周向，用等宽的钢带直接“兜住”标准平面镜，钢带两端与固定结构通过吊钩和吊环连接，以此使支撑后的反射镜整体具备小角度的调整能力。钢带支撑结构简单，对于不同大小的反射镜，仅需调整钢带宽度及长度，目前是广泛采用的一种标准平面镜支撑方法，竖直稳定情况下支撑精度较高。但采用钢带支撑的标准平面镜，由于吊装连接部分采用吊钩和吊环的简易惯用形式，存在稳定性较差的缺点，尤其在进行大口径、长焦距系统的检测时，钢带支撑的标准平面镜轻微晃动会严重影响检测结果，而且进行小角度精细调整时，不稳定的支撑也非常影响效率；同时钢带刚度过大导致平面镜在进行俯仰调整时，容易造成反射镜周边应力集中，进而影响反射镜边缘的面形精度，影响测量精度。
因此，亟需一种适用于大口径、长焦距光学系统以及高精度光学元件的标准平面镜支撑机构。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了一种用于光学装调检测的标准平面镜支撑机构，具有重力自适应性、高稳定性、高精度、广适用性等特点。
本发明提供的用于光学装调检测的标准平面镜支撑机构，包括：支撑单元、主体框架和柔性限位；
支撑单元包括吊带、转接组件和自适应调整器，其中，吊带包括支撑尼龙柱、定位尼龙柱和钢丝绳，支撑尼龙柱和定位尼龙柱间隔排列，支撑尼龙柱的轴线与定位尼龙柱的轴线相互垂直；钢丝绳依次穿过支撑尼龙柱和定位尼龙柱，支撑尼龙柱用于与标准平面镜接触，定位尼龙柱用于控制相邻支撑尼龙柱之间的距离；吊带的两端均通过转接组件与自适应调整器转动连接，自适应调整器分别连接在主体框架的两侧，自适应调整器包括球面轴承、轴承基座、端面球轴承和主承力基座，球面轴承固定在轴承基座的下部，轴承基座的上部为螺杆，该螺杆穿过端面球轴承的内环，球面轴承的轴线与端面球轴承的轴线相互垂直，端面球轴承固定在主承力基座内；
主体框架包括前面板、后面板和底板，前面板和后面板之间通过多个圆柱杆连接，前面板和后面板的底部均连接在底板上；前面板上开有镜面孔，镜面孔的直径与标准平面镜的直径相匹配；
柔性限位包括镜面限位器、背面限位器和径向限位器，镜面限位器设置在镜面孔的边缘位置，用于对标准平面镜的镜面进行约束；背面限位器均匀连接在后面板上，用于对标准平面镜的背面进行约束；径向限位器分别设置在主体框架的两侧，用于对标准平面镜的径向位移进行约束。
优选的，吊带为2条。
优选的，每个定位尼龙柱设置在相邻的支撑尼龙柱之间，支撑尼龙柱横向设置，并在其侧面的两端位置开有通孔；定位尼龙柱纵向设置，并在其底面开有通孔，定位尼龙柱的直径小于支撑尼龙柱的直径，用于保证定位尼龙柱不对标准平面镜产生作用力。
优选的，转接组件包括连接块、圆柱销和定位销，连接块的下部端通过圆柱销与钢丝绳连接，连接块的上部和轴承基座的下部通过定位销同轴连接。
优选的，主体框架为铝合金拼接式框架，主体框架的两侧对称设置有两组吊装组件，便于装置的移动。
优选的，在镜面孔的边缘位置均匀分布有6个半圆形豁口，通过定位钉将镜面限位器安装在豁口处，镜面限位器包括与镜面接触的弹性垫块和限位转接滑块，限位转接滑块上开有腰孔，定位钉穿过腰孔。
优选的，6个背面限位器均匀设置在后面板上，背面限位器包括平面垫块和升降调整杆，升降调整杆上攻有螺纹，通过螺纹连接在后面板上，通过旋转升降调整杆调整对标准平面镜的背面约束力。
优选的，2个径向限位器分别设置在主体框架的两侧，径向限位器包括径向限位基座和滑动锁紧块，径向限位基座的两侧分别通过螺钉固定在前面板和后面板的内侧，径向限位基座与水平面成锐角设置，径向限位基座的内侧开有燕尾槽，滑动锁紧块的外侧为燕尾榫，燕尾榫可在燕尾槽内滑动，滑动锁紧块的内侧为偏心弧面，偏心弧面的曲率与标准平面镜侧面曲率匹配。
优选的，柔性限位还包括3个均匀分布的安装辅助器，安装辅助器包括可升降的支撑脚和支撑基座，支撑脚的上端为橡胶材质，支撑脚的下端为螺纹杆，支撑基座固定在后面板的外侧，通过转动该螺纹杆调整升降高度，当标准平面镜装调完毕，镜面限位器和背面限位器夹紧后，安装辅助器与标准平面镜分开，不再参与支撑和限位，避免过约束。
与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：
本发明利用新型的钢丝绳与尼龙柱组合形成的吊带替代传统的钢带材质的吊带支撑，并且放弃了吊装连接部分采用吊钩-吊环的简易惯用形式，并且采用球面轴承来调节两组吊带，使标准平面镜在俯仰发生变化时能够使其在重力作用下支撑自平衡，即两组吊带在有细微高度差的情况下，仍然能够实现等力、稳定支撑，不会发生传统钢带支撑局部应力集中等问题。
本发明采用多重柔性限位，各限位调整机构稳定可靠，保证了标准平面镜在各种工况下（尤其大口径长焦距系统检测）的高精度、高稳定性、高可靠性的使用。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的用于光学装调检测的标准平面镜支撑机构的整体结构图；
图2是根据本发明实施例提供的支撑单元的结构示意图；
图3是根据本发明实施例提供的主体框架的结构示意图；
图4是根据本发明实施例提供的镜面限位器和径向限位器的结构示意图；
图5是根据本发明实施例提供的背面限位器的结构示意图；
图6是根据本发明实施例提供的安装辅助器的结构示意图；
图7是根据本发明实施例提供的标准平面镜支撑检测情况示意图；
图8是根据本发明实施例提供的标准平面镜支撑检测结果示意图。
其中的附图标记包括：
支撑单元1、吊带11、转接组件12、自适应调整器13；
支撑尼龙柱111、定位尼龙柱112、钢丝绳113；
连接块121、圆柱销122、定位销123；
球面轴承131、轴承基座132、端面球轴承133、主承力基座134；
主体框架2、前面板21、后面板22、圆柱杆23、底板24、加强筋25、吊装组件26；
吊装基座261、吊装轴头262；
柔性限位3、镜面限位器31、背面限位器32、径向限位器33、安装辅助器34；
弹性垫块311、限位转接滑块312；
平面垫块321、升降调整杆322；
径向限位基座331、滑动锁紧块332；
支撑脚341、支撑基座342；
标准平面镜4。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
图1示出了根据本发明实施例提供的用于光学装调检测的标准平面镜支撑机构的整体结构。
本发明实施例提供的用于光学装调检测的标准平面镜支撑机构，包括：支撑单元1、主体框架2和柔性限位3，其中：
图2示出了根据本发明实施例提供的支撑单元。
如图2所示，支撑单元1具备自适应调节功能，具体由吊带11、转接组件12和自适应调整器13组成，吊带11的两端均通过一个转接组件12与自适应调整器13转动连接。
吊带11为2条，2条吊带的间距可依据支撑需求进行灵活调整，吊带11包括支撑尼龙柱111、定位尼龙柱112和钢丝绳113，每条吊带11通过一条钢丝绳113顺序穿过支撑尼龙柱111和定位尼龙柱112上的通孔，每个定位尼龙柱112设置在相邻的支撑尼龙柱111之间，支撑尼龙柱111横向设置，并在其侧面的两端位置开有通孔，与标准平面镜的边缘接触；定位尼龙柱112纵向设置，并在其底面开有通孔，定位尼龙柱112的直径小于支撑尼龙柱111的直径，用于保证定位尼龙112柱不对标准平面镜产生作用力。钢丝绳113的具体穿接方式为：首先将钢丝绳113的一端穿过支撑尼龙柱111上的一个圆孔，再穿过一个定位尼龙柱112，再将钢丝绳113另一端穿过上述支撑尼龙柱111上的另一个圆孔，并继续穿过一个定位尼龙柱112，如此顺序重复操作，直至适合的长度，再将钢丝绳113的两端连接固定，即钢丝绳113形成闭合环。
转接组件12包括连接块121、圆柱销122和定位销123，连接块121上端具有一个与定位销123匹配的圆柱通孔，间隙配合为0.02mm-0.05mm，定位销123采用40Cr材质，将其作为主要承力部件。定位销123穿过上述圆柱通孔，再穿过自适应调整器13的轴承基座132上相应孔位，最后穿过第二条吊带11的连接块121。定位销123依次完成三个孔位的贯穿连接。连接块121下端具有一个通孔，圆柱销122长度与通孔两侧的平面的距离相匹配，组装完毕的支撑吊带11置于相应的位置，圆柱销122穿过连接块121通孔与钢丝绳113，使钢丝绳113挂在圆柱销122上。
自适应调整器13包括球面轴承131、轴承基座132、端面球轴承133和主承力基座134。球面轴承131固定在轴承基座132的下部，球面轴承131与轴承基座132相应的孔位匹配，间隙配合为0.03mm-0.08mm，将球面轴承131置于轴承基座132内。定位销123即穿过球面轴承131内环的中心孔，将自适应调整器13的下端与转接组件12连接，自适应调整器13的上端分别连接在主体框架2的两侧。端面球轴承133固定在主承力基座134内的相应孔位中，主承力基座134固定在主体框架2的两侧位置，球面轴承131的轴线与端面球轴承133的轴线相互垂直。轴承基座132的上部为螺杆，轴承基座132的上端螺杆从下至上穿过主承力基座134的中心圆孔和端面球轴承133的内环中心圆孔，再通过螺母对准旋入该螺杆，通过螺母旋入量来调整轴承基座132的上端螺杆的长度，进而使吊带11紧密包裹住标准平面镜4。
图3示出了根据本发明实施例提供的主体框架。
图4示出了根据本发明实施例提供的镜面限位器和径向限位器。
图5示出了根据本发明实施例提供的背面限位器。
图6示出了根据本发明实施例提供的安装辅助器。
如图3~图6所示，主体框架2为铝合金拼接式框架，包括前面板21、后面板22、圆柱杆23、底板24、加强筋25和吊装组件26，前面板21为铝合金材质，前面板21上中心位置开有镜面孔，镜面孔的直径与标准平面镜的直径相匹配，以镜面孔为基准，在镜面孔的边缘位置均匀分布有6个半圆形豁口，豁口后有定位钉，通过定位钉将镜面限位器31安装在豁口处。在前面板21的内侧肩部边缘位置有一台面，用于安装主承力基座134；在中心稍下的位置，有一向内倾斜台面，用于安装径向限位器33。
后面板22为铝合金材质，整体外形与前面板21相同，后面板22上开有4处大尺寸轻量化圆孔，以中心的圆孔为基准，均匀分布有3处通孔，此为安装辅助器34安装处。此外，还均匀分布有6处盲孔，该盲孔位置与前面板21上的6个豁口位置相对应，为背面限位器32的安装位置。与前面板21相对应，在后面板22内侧肩部边缘位置有一台面，用于安装主承力基座134；在中心稍下的位置，有一向内倾斜台面，用于安装径向限位器33。
前面板21和后面板22之间通过多个圆柱杆23连接，圆柱杆23为不锈钢材质，直径25mm，两端为M12的螺纹孔。前面板21和后面板22的底部均连接在底板24上，底板24为铝合金的矩形厚板材，底板24平面上具有沉头孔，用于与前面板21、后面板22和加强筋25上的螺纹孔相对应连接。加强筋25为铝合金的三角形厚板材，两个直角边侧面上具有螺纹孔，与后面板22、底板24上对应孔位进行连接。
吊装组件26设置在主体框架2的两侧位置，由45号钢材质的两个金属件组成，其中与主体框架2侧面相连接的为吊装基座261，其宽度与主体框架2的整体厚度相同，两端台阶处有沉头孔与前面板21、后面板22侧面上的螺纹孔相对应；吊装基座261通过中心螺纹孔与吊装轴头262连接，组成吊装组件26，吊装轴头262为两端具有台阶的圆柱体。吊装组件26主要用于主体框架2的运输和搬运。
柔性限位3用于柔性约束标准平面镜4，具体包括镜面限位器31、背面限位器32、径向限位器33和安装辅助器34，镜面限位器31设置在镜面孔边缘位置的6个半圆形豁口处，用于对标准平面镜4的镜面进行约束，镜面限位器31包含与镜面接触的弹性垫块311和限位转接滑块312。弹性垫块311通过螺纹与限位转接滑块312连接，限位转接滑块312上开有一腰孔，豁口后侧的定位钉穿过该腰孔，通过调整腰孔与定位钉的相对位置，使镜面限位器31可调整距离与角度，以使弹性垫块311与镜面在合适位置接触锁紧。
背面限位器32共有6个，背面限位器32均匀安装在后面板22上，用于对标准平面镜4的背面进行约束；背面限位器包括顶部为聚四氟乙烯材质的平面垫块321和45号钢材质的升降调整杆322，升降调整杆322包括圆台和螺纹段，升降调整杆322的圆台胶接在平面垫块321的背部中心位置，螺纹段通过螺纹孔连接在后面板22上，通过旋转升降调整杆322调整对标准平面镜4的背面约束力。
径向限位器33共有2个，用于对标准平面镜4的径向位移进行约束，径向限位器33包括铝合金材质的径向限位基座331和聚四氟乙烯材质的滑动锁紧块332，径向限位基座331的两侧分别通过螺钉固定在主体框架2两侧的向内倾斜台面内，径向限位基座331与水平面成锐角设置，径向限位基座331的内侧开有燕尾槽，滑动锁紧块332的外侧为燕尾榫，燕尾榫可在燕尾槽内滑动，滑动锁紧块332的内侧为偏心弧面，偏心弧面的曲率与标准平面镜的侧面曲率匹配。
安装辅助器共有3个，并均匀分布在后面板22上，包括可升降的支撑脚341和支撑基座342，支撑脚341的上端为橡胶材质，支撑脚的下端为螺纹杆，支撑基座342为45号钢材质，其固定在后面板22的外侧，通过周边均布的螺纹孔与后面板22相应位置螺纹孔连接，通过转动支撑脚341的螺纹杆调整升降高度。安装辅助器34是用在标准平面镜4装调开始时，将标准平面镜4和后面板22水平放置，通过安装辅助器34支撑标准平面镜4，当标准平面镜4装调完毕，镜面限位器31和背面限位器32初步夹紧后，通过吊装组件26进行竖直翻转，使标准平面镜4的光轴水平，再旋出安装辅助器34的支撑脚341，使支撑脚341的橡胶部分与标准平面镜4分开，使标准平面镜4在适合位置自由稳定，再同步调整背面限位器32与镜面限位器31，使其前后配合固定标准平面镜4，约束其位移自由度；再调整径向限位器33，先松开锁紧螺钉，使反射镜在适合位置自由稳定，然后两侧同步进行调整，滑动锁紧块332贴合夹紧，并紧固螺钉，约束其径向位移。
本发明装置的具体装配和调整，实施例中示出的仅为较优选择，本领域技术人员可依据需要和实际情况进行择优调整。
图7示出了根据本发明实施例提供的标准平面镜支撑检测情况。
图8示出了根据本发明实施例提供的标准平面镜支撑检测结果。
如图7和图8所示，本发明实施例已经投入正式使用，整体设计考虑到了实际的装调使用情况，支撑效果优良，在800mm大口径标准平面镜的实际应用过程中，反射镜裸镜面形精度RMS为0.019λ@632.8nm，采用本发明支撑后，面形精度RMS可达0.021λ@632.8nm，基本做到无损精度的支撑。同时经过实际检验，各限位调整机构稳定可靠，保证了标准平面镜在各种工况下（尤其大口径长焦距系统检测）的高精度、高稳定性、高可靠性的使用。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种用于光学装调检测的标准平面镜支撑机构，其特征在于，包括：支撑单元、主体框架和柔性限位；
所述支撑单元包括吊带、转接组件和自适应调整器，其中，吊带包括支撑尼龙柱、定位尼龙柱和钢丝绳，支撑尼龙柱和定位尼龙柱间隔排列，支撑尼龙柱的轴线与定位尼龙柱的轴线相互垂直；钢丝绳依次穿过支撑尼龙柱和定位尼龙柱，支撑尼龙柱用于与标准平面镜接触，定位尼龙柱用于控制相邻支撑尼龙柱之间的距离；吊带的两端均通过转接组件与自适应调整器转动连接，自适应调整器分别连接在主体框架的两侧，自适应调整器包括球面轴承、轴承基座、端面球轴承和主承力基座，球面轴承固定在轴承基座的下部，轴承基座的上部为螺杆，该螺杆穿过端面球轴承的内环，球面轴承的轴线与端面球轴承的轴线相互垂直，端面球轴承固定在主承力基座内；
所述主体框架包括前面板、后面板和底板，前面板和后面板之间通过多个圆柱杆连接，前面板和后面板的底部均连接在底板上；前面板上开有镜面孔，镜面孔的直径与标准平面镜的直径相匹配；
所述柔性限位包括镜面限位器、背面限位器和径向限位器，镜面限位器设置在镜面孔的边缘位置，用于对标准平面镜的镜面进行约束；背面限位器均匀连接在后面板上，用于对标准平面镜的背面进行约束；径向限位器分别设置在所述主体框架的两侧，用于对标准平面镜的径向位移进行约束。
2.如权利要求1所述的用于光学装调检测的标准平面镜支撑机构，其特征在于，吊带为2条，2条吊带的间距可进行调整。
3.如权利要求1所述的用于光学装调检测的标准平面镜支撑机构，其特征在于，每个定位尼龙柱设置在相邻的支撑尼龙柱之间，支撑尼龙柱横向设置，并在其侧面的两端位置开有通孔；定位尼龙柱纵向设置，并在其底面开有通孔，定位尼龙柱的直径小于支撑尼龙柱的直径，用于保证定位尼龙柱不对标准平面镜产生作用力。
4.如权利要求2所述的用于光学装调检测的标准平面镜支撑机构，其特征在于，转接组件包括连接块、圆柱销和定位销，连接块的下部端通过圆柱销与钢丝绳连接，连接块的上部和轴承基座的下部通过定位销同轴连接。
5.如权利要求1所述的用于光学装调检测的标准平面镜支撑机构，其特征在于，所述主体框架为铝合金拼接式框架，所述主体框架的两侧对称设置有两组吊装组件，便于装置的移动。
6.如权利要求1所述的用于光学装调检测的标准平面镜支撑机构，其特征在于，在镜面孔的边缘位置均匀分布有6个半圆形豁口，通过定位钉将镜面限位器安装在豁口处，镜面限位器包括与镜面接触的弹性垫块和限位转接滑块，限位转接滑块上开有腰孔，定位钉穿过腰孔。
7.如权利要求1所述的用于光学装调检测的标准平面镜支撑机构，其特征在于，6个背面限位器均匀设置在后面板上，背面限位器包括平面垫块和升降调整杆，升降调整杆上攻有螺纹，通过螺纹连接在后面板上，通过旋转升降调整杆调整对标准平面镜的背面约束力。
8.如权利要求1所述的用于光学装调检测的标准平面镜支撑机构，其特征在于，2个径向限位器分别设置在所述主体框架的两侧，径向限位器包括径向限位基座和滑动锁紧块，径向限位基座的两侧分别通过螺钉固定在前面板和后面板的内侧，径向限位基座与水平面成锐角设置，径向限位基座的内侧开有燕尾槽，滑动锁紧块的外侧为燕尾榫，燕尾榫可在燕尾槽内滑动，滑动锁紧块的内侧为偏心弧面，偏心弧面的曲率与标准平面镜的侧面曲率匹配。
9.如权利要求1所述的用于光学装调检测的标准平面镜支撑机构，其特征在于，所述柔性限位还包括3个均匀分布的安装辅助器，安装辅助器包括可升降的支撑脚和支撑基座，支撑脚的上端为橡胶材质，支撑脚的下端为螺纹杆，支撑基座固定在后面板的外侧，通过转动该螺纹杆调整升降高度，当标准平面镜装调完毕，镜面限位器和背面限位器夹紧后，安装辅助器与标准平面镜分开，不再参与支撑和限位，避免过约束。
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