CN117826395A - 具有柔性导向侧支撑的大口径望远镜拼接镜面支撑装置与支撑方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有柔性导向侧支撑的大口径望远镜拼接镜面支撑装置与支撑方法，该拼接镜面支撑装置提供轴向支撑、过渡连接件以及侧向支撑的功能。其中轴向支撑采用whiffletree支撑结构，过渡连接件采用殷钢垫，贴附或者粘结在拼接子镜的背面，侧向支撑采用侧向支撑和Guide Flexure耦合连接设计的弹性的平行导轨柔性片，多片平行导轨柔性片内嵌地套入到殷钢垫，然后再将whiffletree支撑结构的柔性杆安装到殷钢垫内，例如通过螺纹拧紧的方式进行安装。本发明提出的适用于大口径拼接镜面的具有柔性导向侧支撑的大口径望远镜拼接镜面支撑装置和支撑方法，可减小拼接子镜的转动瞬心的位置变化，提高拼接镜面共相精度。

Description

具有柔性导向侧支撑的大口径望远镜拼接镜面支撑装置与支 撑方法

技术领域

本发明涉及大口径天文望远镜技术领域，尤其是地基光学红外望远镜拼接镜面技术领域，具体而言涉及一种适用于大口径地基光学红外望远镜的拼接镜面支撑装置与支撑方法，通过使用Guide Flexure柔性导向功能的侧支撑，减少拼接子镜的转动瞬心的位置变化，提高拼接镜面共相精度。

背景技术

大型拼接镜面望远镜是未来大型天文望远镜发展的必然趋势。拼接镜面主动光学技术是大型拼接镜面望远镜建造所面临的关键技术难题，亦是大型拼接镜面望远镜达到与其等口径的单块主镜望远镜相同光学成像质量的关键。

由于受到镜坯制造、光学加工、运输装调等因素的限制，目前世界上最大口径的单块主镜仍为8m级，口径大于5m的单块主镜望远镜的造价与其口径的关系呈指数增加，主镜和支撑系统的质量也成倍增加，在观测时会由于结构下沉，降低了主镜的面形精度。

相比于笨重的大口径单镜，拼接镜的尺寸更小、更薄，更容易制造、运输和装调。随着天文学的飞速发展，亟需更大口径的望远镜。拼接镜面技术的发展，给大口径望远镜甚至巨型望远镜的研制提供了新的可能。

基于拼接镜面技术的主镜，例如中国郭守敬望远镜、美国凯克望远镜、西班牙加那利望远镜、美国HET拼接镜面望远镜、詹姆斯-韦伯太空望远镜、智利VLT望远镜等，由多块子镜(正六边形拼接子镜、或者圆形子镜)拼接而成，只要子镜具有足够高的刚度，主镜的厚度和重量就大为降低，大型的镀膜机、磨镜机、镜坯熔炼炉都不再需要，降低生产、运输、装配上的成本和难度。而且拼接镜面的可拓展性优良，便于模块化设计，非常有利于望远镜朝着大型甚至巨型的方向发展。

大型拼接镜面望远镜面临的共性问题是拼接镜面系统易受到重力、温度、风载以及振动等环境因素的影响。这些因素影响拼接镜面面形的保持，从而影响望远镜的观测效果和像质。这就要求拼接子镜的支撑系统具有可调整性和适应性，能够实现原位调整，主动调整拼接子镜与相邻子镜的相对位置关系，主动光学技术正是拼接镜面系统实现和保持共相过程中必不可少的环节。

目前已建成或在研的大型地基拼接镜面望远镜项目的轴向支撑通常采用whiffletree支撑结构形式，基于Whiffletree支撑结构可在不引入过约束的情况下的提高反射镜抵抗重力变形的能力以及面形精度，同时增强了反射镜的热载荷适应能力和稳定性，例如现有技术中CN105259635A。侧向支撑均为中心膜片支撑结构形式。由于拼接子镜的支撑系统的集成度高，空间有限，所以不宜在拼接子镜边缘处安装侧支撑结构。拼接子镜的对角间距一般为1.1m-1.8m，径厚比一般为23～32，且拼接主镜的曲率半径一般较大，拼接子镜的质心在拼接子镜的内部。基于上述特征，一般在拼接子镜的背部设计沉头孔，采用中心膜片(Central Diaphragm)提供侧向支撑，安装在移动架上的的多级whiffletree支撑结构为拼接子镜提供轴向支撑，而拼接子镜的侧向支撑是通过中心膜片实现的。中心膜片位于拼接子镜背部的沉头孔内，中心膜片的外圈粘接于沉头孔内壁，中间固定在移动架上。而移动架的侧向支撑由Moving Frame guide flexure(以下简称Guide Flexure)提供。当促动器输出位移作用在硬点位置，可以调整拼接子镜piston、tip、tilt三个刚体自由度。

由于Guide Flexure的中央与移动架固定，外边缘与镜室固定，所以拼接子镜的转动瞬心位置始终变化，拼接子镜不再绕其几何中心转动，且边缘传感器的测量极板中心与中心膜片的几何中心相对位置也不断变化，这就造成了边缘传感器的测量值不能准确反映拼接子镜的空间位姿。拼接子镜轴向支撑和侧向支撑解耦结构Guide Flexure变形会引起的边缘传感器测量误差的问题，该问题为拼接镜面主动光学中的共性问题。

发明内容

本发明目的旨在针对大型拼接镜面望远镜中，拼接子镜支撑系统采用GuideFlexure结构解耦轴向支撑和侧向支撑，引入边缘传感器测量误差的共性问题，提出了一种适用于大口径拼接镜面的具有guide flexure柔性导向功能的侧支撑装置和支撑方法，减小拼接子镜的转动瞬心的位置变化，提高拼接镜面共相精度。

根据本发明目的的第一方面，提出具有柔性导向侧支撑的大口径望远镜拼接镜面支撑装置，该大口径望远镜拼接镜面支撑装置包括：

用于提供对拼接子镜轴向支撑的whiffletree支撑结构，该whiffletree支撑结构提供成正三角分布的柔性杆并通过三脚架连接在连接转轴上，构成一组移动架，两组移动架对应的连接转轴底部共同通过一梁结构支撑；

贴装在拼接子镜背面并与所述whiffletree支撑结构的柔性杆一一对应配置的过渡连接件，过渡连接件与拼接子镜的镜体具有一致的热膨胀系数；

与所述过渡连接件一一对应设置平行导轨柔性片，每个平行导轨柔性片内嵌到一过渡连接件并能够抵接拼接子镜背面，构成对拼接子镜的侧向支撑，其中每个平行导轨柔性片被设置沿着拼接子镜镜面的切向方向布置，以约束所有过渡连接件的切向运动；

其中，每个柔性杆被设置成能够对应装配连接至一过渡连接件，使得当所述梁结构底部的虚拟硬点位置被促动器驱动时，驱动柔性杆以调整拼接子镜piston、tip、tilt三个刚体自由度。

进一步的实施例中，所述平行导轨柔性片具有本体、沿着本体的预设第一方向的第一U型开槽、形成于第一U型开槽空间内并朝向预设第二方向的第一导轨片、在第一导轨片上沿着所述预设第二方向开设的第二U型开槽以及形成于第二U型开槽空间内并朝向预设第一方向的第二导轨片，所述第二导轨片配置有内嵌地套入过渡连接件的圆孔；

所述预设第二方向与预设第一方向互为相反方向。

进一步的实施例中，多个平行导轨柔性片被配置成沿着拼接子镜镜面的切向方向布置，并在所述柔性杆被驱动时能够沿着所述拼接镜面的径向以及轴向移动。多个平行导轨柔性片的热中心与所述拼接镜面的光轴重合。

进一步的实施例中，多个平行导轨柔性片具有相同的结构和尺寸，并且均采用双向不锈钢薄片制作，厚度在0.8-1mm。

根据本发明目的的第二方面，还提出一种具有柔性导向侧支撑的大口径望远镜拼接镜面支撑方法，包括以下步骤：

采用1mm厚度的双相不锈钢薄片，按照平行导轨柔性片的结构通过激光切割成型，平行导轨柔性片的结构包括本体、沿着本体的预设第一方向的第一U型开槽、形成于第一U型开槽空间内并朝向预设第二方向的第一导轨片、在第一导轨片上沿着所述预设第二方向开设的第二U型开槽以及形成于第二U型开槽空间内并朝向预设第一方向的第二导轨片，所述第二导轨片配置有内嵌地套入过渡连接件的圆孔；所述预设第二方向与预设第一方向互为相反方向；

将过渡连接件粘结到拼接子镜的背面，然后在每个过渡连接件的位置分别将一平行导轨柔性片通过其圆孔套在过渡连接件上，再将whiffletree支撑结构的每个柔性杆安装到对应位置的过渡连接件，最后安装whiffletree支撑结构的移动架以及梁结构，实现对拼接子镜的轴向和侧向支撑；

当位于梁结构底部的虚拟硬点位置被促动器驱动时，驱动柔性杆动作以调整拼接子镜piston、tip、tilt三个刚体自由度，以实现对拼接镜面的主动光学变形控制，其中，在变形过程中，所述平行导轨柔性片能够在拼接子镜的径向方向上自由移动，实现对拼接子镜在平面内x、y方向的位移和绕z轴的转动调节，以允许移动架和拼接镜面之间的热膨胀差异，并且平行导轨柔性片能够在拼接子镜的轴向运动，实现对拼接子镜在z向移动以及绕x、y轴的俯仰和倾斜调节。

由此，通过本发明提出的具有guide flexure柔性导向功能的侧支撑结构，即平行导轨柔性片，布置在每一个wiffletree-拼接镜面界面点(通常采用殷钢垫过渡连接)，平行导轨的方向为镜面的切向方向，从而约束所有界面点(殷钢垫)的切向运动。当促动器输出位移作用在硬点位置，可以调整拼接子镜piston、tip、tilt三个刚体自由度，可以在x、y和θ三个维度上(平面内x,y方向的位移和绕z轴的转动θ)充分支撑拼接镜面，同时使z、φ和ψ自由移动(即z向移动，以及绕xy轴的俯仰和倾斜)，由拼接镜面的位移促动器主动控制，望远镜可以倾斜到15°的高度(90°指向正上方)，以扩大视场。因此，当望远镜指向地平线时，该侧支撑不仅可以限制拼接镜面的平面内运动，而且还可以支撑其重量的一部分。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例。

图1是本发明实施例的拼接镜面whiffletree二维结构示意图。

图2是本发明实施例的拼接镜面whiffletree支撑结构的示意图。

图3是本发明实施例的拼接镜面whiffletree支撑结构中三脚架、柔性杆与殷钢垫的安装示意图。

图4是本发明实施例的平行导轨柔性片的结构示意图。

图5是本发明实施例的平行导轨柔性片柔性导向作用示意图。

图6是本发明实施例的平行导轨柔性片的轴向运动示意图。

图7是本发明实施例的拼接镜面轴向支撑和平行导轨柔性片侧支撑装配图。

图8是本发明实施例的拼接镜面自由度定义示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

本发明公开的实施例，针对大型地基拼接镜面望远镜的拼接镜面支撑结构，提出一种具有柔性导向侧支撑的大口径望远镜拼接镜面支撑装置，由于拼接镜系统的支撑结构决定了拼接子镜的移动的瞬心不是拼接子镜的几何中心，而是由轴向支撑和侧向支撑的解耦组件决定的，这将造成拼接子镜在移动的过程中，拼接子镜的瞬心不断变化。该瞬心变化会引入边缘传感器的测量误差，为此，在本发明的实施例中，提出一种耦合到轴向支撑点的界面的弹性导轨柔性片，起到侧向支撑作用，可以解决传统支撑结构引起的边缘传感器的结构性误差，减小拼接子镜的转动瞬心的位置变化，提高拼接镜面共相精度。

结合图1-8所示示例的具有柔性导向侧支撑的大口径望远镜拼接镜面支撑装置，提供了轴向支撑、过渡连接件以及侧向支撑的功能。其中轴向支撑采用whiffletree支撑结构，过渡连接件采用殷钢垫，贴附或者粘结在拼接子镜的背面，侧向支撑采用侧向支撑和Guide Flexure耦合连接设计的弹性的平行导轨柔性片，多片平行导轨柔性片内嵌地套入到殷钢垫，然后再将whiffletree支撑结构的柔性杆安装到殷钢垫内，例如通过螺纹拧紧的方式进行安装。

由此，通过18点whiffletree支撑结构为拼接子镜提供轴向支撑，结合图1、2所示。而拼接子镜的侧向支撑是通过弹性平面导轨柔性片实现，如图3所示。弹性导轨位于拼接子镜背部的殷钢垫上，该弹性导轨柔性片同时提供Guide Flexure导向作用见图4、5，并允许在拼接子镜的轴向和切向的自由移动，当促动器输出位移作用在硬点位置，可以调整拼接子镜piston、tip、tilt三个刚体自由度。

结合图1、2、3、4所示，用于提供对拼接子镜轴向支撑的whiffletree支撑结构10提供成正三角分布的柔性杆11并通过三脚架连接在连接转轴12上，构成一组移动架15，两组移动架15对应的连接转轴12底部共同通过一梁结构13支撑。

过渡连接件20，例如殷钢垫，粘结或者贴装在拼接子镜背面，并与whiffletree支撑结构10的柔性杆11一一对应配置。过渡连接件20与拼接子镜的镜体具有一致的热膨胀系数。

与过渡连接件20一一对应设置平行导轨柔性片30，每个平行导轨柔性片30内嵌到一过渡连接件20并能够抵接拼接子镜背面，构成对拼接子镜的侧向支撑，其中每个平行导轨柔性片30被设置沿着拼接子镜镜面的切向方向布置，以约束所有过渡连接件20的切向运动；

其中，每个柔性杆11被设置成能够对应装配连接至一过渡连接件20，使得当梁结构13底部的虚拟硬点位置被促动器驱动时，驱动柔性杆11以调整拼接子镜piston、tip、tilt三个刚体自由度。

结合图3、4所示，平行导轨柔性片30具有本体31、沿着本体的预设第一方向的第一U型开槽32、形成于第一U型开槽32空间内并朝向预设第二方向的第一导轨片33、在第一导轨片33上沿着预设第二方向开设的第二U型开槽34以及形成于第二U型开槽34空间内并朝向预设第一方向的第二导轨片35，第二导轨片35配置有内嵌地套入过渡连接件20的圆孔36。

前述的预设第一方向被设置为拼接子镜镜面的切向方向。预设第二方向与预设第一方向互为相反方向。

作为可选的示例，结合图5、6、7所示，多个平行导轨柔性片30被配置成沿着拼接子镜镜面的切向方向均匀地布置，多个平行导轨柔性片30的热中心与拼接镜面的光轴重合，并且在柔性杆11被驱动时能够沿着拼接镜面的径向以及轴向移动。

在本发明的示例中，多个平行导轨柔性片30具有相同的结构和尺寸，并且均采用双向不锈钢薄片制作，厚度在0.8-1mm。

结合图示以及前述实施例的大口径望远镜拼接镜面支撑装置，根据本发明公开的拼接镜面支撑方法，包括以下过程：

平行导轨柔性片30的制备：采用1mm厚度的双相不锈钢薄片，按照平行导轨柔性片30的结构通过激光切割成型，平行导轨柔性片30的结构包括本体31、沿着本体的预设第一方向的第一U型开槽32、形成于第一U型开槽32空间内并朝向预设第二方向的第一导轨片33、在第一导轨片33上沿着预设第二方向开设的第二U型开槽34以及形成于第二U型开槽34空间内并朝向预设第一方向的第二导轨片35，第二导轨片35配置有内嵌地套入过渡连接件20的圆孔36；预设第二方向与预设第一方向互为相反方向；

轴向和侧向支撑装配：将过渡连接件20粘结到拼接子镜的背面，然后在每个过渡连接件20的位置分别将一平行导轨柔性片30通过其圆孔36套在过渡连接件20上，再将whiffletree支撑结构10的每个柔性杆11安装到对应位置的过渡连接件20，最后安装whiffletree支撑结构10的移动架15以及梁结构13，实现对拼接子镜的轴向和侧向支撑；

拼接镜面调整：当位于梁结构13底部的虚拟硬点位置被促动器驱动时，驱动柔性杆11动作以调整拼接子镜piston、tip、tilt三个刚体自由度，以实现对拼接镜面的主动光学变形控制，其中，在变形过程中，平行导轨柔性片30能够在拼接子镜的径向方向上自由移动，实现对拼接子镜在平面内x、y方向的位移和绕z轴的转动调节(如图8所示的x、y和θ维度)，以允许移动架和拼接镜面之间的热膨胀差异，并且平行导轨柔性片30能够在拼接子镜的轴向运动，实现对拼接子镜在z向移动以及绕x、y轴的俯仰和倾斜调节(如图8所示的z、φ和ψ维度)。

由此可见，在本发明的大口径望远镜拼接镜面支撑装置设计中，通过本发明提出的具有柔性导向侧支撑的大口径望远镜拼接镜面装置，通过具有guide flexure柔性导向功能的侧支撑结构，当调节拼接镜面的姿态时，可克服平行引导柔性片的寄生刚度所需的力由促动器直接传递到片簧处，而不会扭曲光学表面，驱动力也作用在平行导轨的中心，消除拼接镜面界面处的所有反作用力，从而使拼接子镜的转动瞬心的位置变化最小，提高拼接镜面共相精度。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (8)

1.一种具有柔性导向侧支撑的大口径望远镜拼接镜面支撑装置，其特征在于，包括：

用于提供对拼接子镜轴向支撑的whiffletree支撑结构(10)，该whiffletree支撑结构(10)提供成正三角分布的柔性杆(11)并通过三脚架(14)连接在连接转轴(12)上，构成一组移动架(15)，两组移动架(15)对应的连接转轴(12)底部共同通过一梁结构(13)支撑；

贴装在拼接子镜背面并与所述whiffletree支撑结构(10)的柔性杆(11)一一对应配置的过渡连接件(20)，过渡连接件与拼接子镜的镜体具有一致的热膨胀系数；

与所述过渡连接件(20)一一对应设置平行导轨柔性片(30)，每个平行导轨柔性片(30)内嵌到一过渡连接件(20)并能够抵接拼接子镜背面，构成对拼接子镜的侧向支撑，其中每个平行导轨柔性片(30)被设置沿着拼接子镜镜面的切向方向布置，以约束所有过渡连接件(20)的切向运动；

其中，每个柔性杆(11)被设置成能够对应装配连接至一过渡连接件(20)，使得当所述梁结构(13)底部的虚拟硬点位置被促动器驱动时，驱动柔性杆(11)以调整拼接子镜piston、tip、tilt三个刚体自由度。

2.根据权利要求1所述的具有柔性导向侧支撑的大口径望远镜拼接镜面支撑装置，其特征在于，所述平行导轨柔性片(30)具有本体(31)、沿着本体的预设第一方向的第一U型开槽(32)、形成于第一U型开槽(32)空间内并朝向预设第二方向的第一导轨片(33)、在第一导轨片(33)上沿着所述预设第二方向开设的第二U型开槽(34)以及形成于第二U型开槽(34)空间内并朝向预设第一方向的第二导轨片(35)，所述第二导轨片(35)配置有内嵌地套入过渡连接件(20)的圆孔(36)；

所述预设第二方向与预设第一方向互为相反方向。

3.根据权利要求2所述的具有柔性导向侧支撑的大口径望远镜拼接镜面支撑装置，其特征在于，多个平行导轨柔性片(30)被配置成在所述柔性杆(11)被驱动时能够沿着所述拼接镜面的径向以及轴向移动。

4.根据权利要求2所述的具有柔性导向侧支撑的大口径望远镜拼接镜面支撑装置，其特征在于，所述预设第一方向被设置为拼接子镜镜面的切向方向。

5.根据权利要求2所述的具有柔性导向侧支撑的大口径望远镜拼接镜面支撑装置，其特征在于，多个平行导轨柔性片(30)的热中心与所述拼接镜面的光轴重合。

6.根据权利要求2所述的具有柔性导向侧支撑的大口径望远镜拼接镜面支撑装置，其特征在于，多个平行导轨柔性片(30)具有相同的结构和尺寸，并且均采用双向不锈钢薄片制作，厚度在0.8-1mm。

7.根据权利要求1所述的具有柔性导向侧支撑的大口径望远镜拼接镜面支撑装置，其特征在于，所述过渡连接件(20)为殷钢垫，配置有螺纹，用于与移动架(15)的柔性杆形成螺纹连接。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的具有柔性导向侧支撑的大口径望远镜拼接镜面支撑装置的拼接镜面支撑方法，其特征在于，包括以下步骤：

采用1mm厚度的双相不锈钢薄片，按照平行导轨柔性片(30)的结构通过激光切割成型，平行导轨柔性片(30)的结构包括本体(31)、沿着本体的预设第一方向的第一U型开槽(32)、形成于第一U型开槽(32)空间内并朝向预设第二方向的第一导轨片(33)、在第一导轨片(33)上沿着所述预设第二方向开设的第二U型开槽(34)以及形成于第二U型开槽(34)空间内并朝向预设第一方向的第二导轨片(35)，所述第二导轨片(35)配置有内嵌地套入过渡连接件(20)的圆孔(36)；所述预设第二方向与预设第一方向互为相反方向；

将过渡连接件(20)粘结到拼接子镜的背面，然后在每个过渡连接件(20)的位置分别将一平行导轨柔性片(30)通过其圆孔(36)套在过渡连接件(20)上，再将whiffletree支撑结构(10)的每个柔性杆(11)安装到对应位置的过渡连接件(20)，最后安装whiffletree支撑结构(10)的移动架(15)以及梁结构(13)，实现对拼接子镜的轴向和侧向支撑；

当位于梁结构(13)底部的虚拟硬点位置被促动器驱动时，驱动柔性杆(11)动作以调整拼接子镜piston、tip、tilt三个刚体自由度，以实现对拼接镜面的主动光学变形控制，其中，在变形过程中，所述平行导轨柔性片(30)能够在拼接子镜的径向方向上自由移动，实现对拼接子镜在平面内x、y方向的位移和绕z轴的转动调节，以允许移动架和拼接镜面之间的热膨胀差异，并且平行导轨柔性片(30)能够在拼接子镜的轴向运动，实现对拼接子镜在z向移动以及绕x、y轴的俯仰和倾斜调节。