CN118011587A - 一种反射镜面形自适应热调节结构 - Google Patents

Abstract

一种反射镜面形自适应热调节结构，该结构通过对反射镜布置不同热膨胀系数的支架，借助不同热膨胀系数的支架在温度变化条件下对反射镜的顶、拉作用来调节反射镜的面形，以此实现反射镜在温变情况下的面形自适应效果，且支架、反射镜以及反射镜基板构成刚性系统，同时实现反射镜与基板之间热变形的解耦而从原理上极大降低了结构的设计难度，并提升了结构的可靠性与实用性；相较于传统反射镜单纯的安装结构或主动调节结构，本结构可以实现反射镜在温变环境下面形的自动调节，而无需任何主动驱动装置，且通过刚性系统以及热变形解耦等方式从原理上极大降低了结构的设计难度并提升了结构的可靠性和实用性。

Description

一种反射镜面形自适应热调节结构

技术领域

本发明属于光学元件温度适应性安装结构技术领域，具体涉及一种反射镜面形自适应热调节结构。

背景技术

光学元件需要极高的面形精度，但光学元件的工作环境往往存在温度变化，这将导致光学元件的面形产生变化，而面形的恶化一部分来自光学元件自身的热胀冷缩，另一部分则由与之连接或接触的结构件的热胀冷缩施加的力引起，总之光学元件在传统的安装结构下不能在温度变化过程中保持或针对性地调节自身的面形。由于金属反射镜具有无色差等优势，其使用愈发广泛，且随着超精加工手段的进步，金属反射镜在复杂曲面制造上的优势也使得其应用日益频繁。但对于反射镜尤其是金属反射镜在温变条件下的面形控制，目前已有的方法是利用压电陶瓷等驱动装置主动改变面形，这种方法虽然可以调节反射镜的形状，但其需要运动输入，并且需要实时监测反射镜面形变化并进行极高的控制，因此存在成本高、可靠性差等问题，同时因体积限制驱动装置一般不能产生大的驱动力，导致该种方法只能调节很薄的反射镜，致使其使用范围受限。而在被动调节方法中，可以使用热膨胀系数很低的金属作为反射镜材料，但即使该方法能够使反射镜自身拥有很小的热变形量，但仍然无法克服例如基板等结构件对反射镜产生的热应力影响，且低热膨胀系数的金属材料往往很难加工，并不适合用于制造金属反射镜。因此目前还缺乏温变条件下简单可靠且适用面广的被动式反射镜面形调节结构。

发明内容

为了针对性地克服现有反射镜面形调节装置存在的驱动力不足、需要实时监测与复杂控制、成本高昂，以及安装结构存在的材料受限、无法克服结构件影响等不足，本发明提出了一种能够产生足够顶拉力、能够自动调节无需干预、适用面广且可不受结构件热变形影响、设计难度低、可靠性高的被动式反射镜面形自适应热调节结构。

本发明是采用以下技术方案实现的：

一种反射镜面形自适应热调节结构，其特征在于，包括反射镜、支架以及基板，所述反射镜与所述支架连接，该连接可以是固定连接也可以是活动连接，所述支架安装在所述基板上；所述支架具有不同的热膨胀系数，能够在温度变化过程中结合自身的分布与形状尺寸等参数即通过自身热变形量的不同为所述反射镜提供顶和拉等方向不同的力，以调节反射镜的面形。

进一步地，所述支架为刚性支架，所述支架与所述反射镜的连接面为刚性接触，所谓刚性即支架不存在局部明显的削弱而成为挠性支架，而连接面为刚性接触则指连接面之间没有垫片等弹性元件也没有局部削弱结构存在，所述刚性支架和刚性接触可使所述支架对所述反射镜直接施加调节力，而不存在明显的变形行为，使调节更加精准并降低设计难度，使得力是发挥调节作用而非被动适应零件之间热变形的不一致。

进一步地，还包括限位件，所述限位件安装在所述支架上，所述限位件用于限制所述反射镜在相应方向的位移，所述限位件可用于限制除所述支架已限制的自由度以外的任何一个或多个自由度，并可以与所述支架配合对所述反射镜施加下压力。

进一步地，所述限位件为刚性结构件，其与所述反射镜的连接面为刚性接触，所述刚性结构件与刚性接触同所述支架的刚性类似，所述限位件整体或局部采用与所述反射镜相同或相近热膨胀系数的材料，这样便可使得所述限位件不会因与所述反射镜的热变形量存在较大差别而出现挤压所述反射镜或者与所述反射镜分离而丧失限位作用。

进一步地，所述限位件和所述支架同时与所述反射镜接触的面均为平面，且所述平面的方向与所述支架对所述反射镜的调节力的方向垂直，所述支架和所述限位件允许所述反射镜在垂直于所述支架对所述反射镜的调节力的方向自由形变和位移，通过该种结构形式，便可使得所述反射镜只受到所述支架和所述限位件的调节，而不受其他方向因热膨胀量不一致而引起的结构件的约束，从而使面形调节更准确的同时降低设计难度。

进一步地，所述基板与所述反射镜的热膨胀系数相同或相近，这样可使得所述基板与所述反射镜在垂直于所述调节力方向的热变形量不会出现明显的不一致从而通过支架影响反射镜的面形。

进一步地，所述支架与所述基板中的其一或两者采用不同热膨胀系数的材料进行拼接，该种方式可使所述支架与所述基板产生新的热膨胀系数，进而增加材料的可选范围。

进一步地，所述支架可沿垂直于所述支架对所述反射镜的调节力的方向产生微小变形，所述微小变形垂直所述调节力使得其不会影响所述支架对所述反射镜的调节作用，也不会影响所述支架的刚性，但该微小变形使得支架可以适应所述基板与所述反射镜在垂直于所述调节力方向的变形量的不一致。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

一种反射镜面形自适应热调节结构，该结构通过对反射镜布置不同热膨胀系数的支架，借助不同热膨胀系数的支架在温度变化过程中热变形量的差异而对反射镜产生作用力来调节反射镜的面形，以此实现反射镜在温变情况下的面形自适应效果，且支架、限位件、反射镜以及反射镜基板构成刚性系统，同时实现反射镜与基板之间热变形的解耦而从原理上极大降低了本结构的设计难度，并提升了结构的可靠性与实用性。相较于传统反射镜单纯的安装结构与主动调节装置，本结构可以实现反射镜在温变环境下面形的自动调节，而无需任何主动驱动装置，同时不受结构件热变形影响，且通过刚性系统以及热变形解耦等方式极大降低了结构的设计难度并提升了结构的可靠性和适用性，能够克服现有反射镜安装装置或结构存在的驱动力不足、需要实时监测与复杂控制、材料受限以及无法克服结构件影响等问题。

附图说明

图1为传统反射镜安装结构示意图；

图2为本发明反射镜面形自适应热调节结构示意图；

图3为本发明两侧支架不与反射镜绑定连接的结构示意图；

图4为本发明不受基板横向膨胀影响的反射镜热调节结构示意图；

图5为本发明反射镜温变下复杂形状控制结构示意图；

图6为本发明的局部细节示意图。

图例说明：1：反射镜，2：基板， 3：高膨胀支架，4：低膨胀支架， 5：限位件， 6：中膨胀支架， 7：拼接限位件， 8：拼接支架， 9：局部削弱支架，10：拼接基板。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如附图1-6所示，为清楚地展示本发明的原理及工作过程，本实施例给出了较为典型的实施方案，但以下案并不能代表本发明的全部方案。

如附图1所示的传统反射镜安装结构，其通过胶粘或焊接的方式将反射镜1安装在基板2上，虽然反射镜1背部与基板2的接触形式以及接触面积会随反射镜1的形状以及连接方式的不同而与图1有所区别，但其在温度变化条件下均无法使反射镜1保持原有的面形精度。例如在温度升高的情况下，图1所示的反射镜1自身将因热膨胀而半径增大，即变得更平，而基板2也会出现半径变大而更平的情况，若两者热变形量不一致，基板2的变形也会传递给反射镜1，因此在反射镜1自身以及基板2这个结构件的共同作用下反射镜1的形状就会改变，其反射面的面形精度也就会在温度变化过程中恶化。而图2至图6所示的反射镜面形自适应热调节结构便可解决上述问题。

如图2所示的一种反射镜面形自适应热调节结构，包括反射镜1、高膨胀支架3、低膨胀支架4以及基板2等组件，其中反射镜1与高膨胀支架3、低膨胀支架4绑定连接，即连接面之间在任何方向均不会发生分离或者错动，而高膨胀支架3与低膨胀支架4同样均固定安装在基板2上。上述高膨胀支架3较低膨胀支架4具有更高的热膨胀系数，在图示尺寸且在温度升高过程中能够比低膨胀支架4产生更多的热变形量。因此以基板2为基准，图1两侧的高膨胀支架3便会对反射镜1产生往上顶的力，而中部的低膨胀支架4会对反射镜1产生往下拉的力，温度升高情况下反射镜的受力情况如图2中的标注所示，故反射镜1在外顶中拉的力作用下直径便会变小，以补偿自身在温度升高情况下直径增加的情况；同理，当温度降低时，高膨胀支架3与低膨胀支架4便会对反射镜1产生外拉中顶的力，从而补偿反射镜1自身直径的减小。因此只要选择合适热膨胀系数的支架，并设计好支架的位置和尺寸等参数，使之与反射镜1的材料以及形状尺寸等参数相匹配，便可在温度变化过程中补偿反射镜1的热变形，从而调节反射镜1的面形。

如图2至图5中支架本身及其与反射镜1安装细节所示的，无论是高膨胀支架3、低膨胀支架4还是中膨胀支架6均为刚性支架，且支架与反射镜1的连接面也均为刚性接触。而所谓刚性支架即支架本身不存在局部明显的削弱而成为挠性支架，连接面为刚性接触则指连接面之间没有垫片等弹性元件也没有局部削弱结构存在，所述刚性支架和刚性接触可使所述支架对所述反射镜直接施加调节力，而不存在明显的变形行为，使调节更加精准并降低设计难度，使得力是发挥调节作用而非被动适应零件之间热变形的不一致。因反射镜1形状的调节是很精密的，其调节量大都很小，因此若支架存在施力方向的柔性，则会对整个系统引入弹性变量，不仅会增加系统的计算量和设计难度，当支架以及弹性垫片的材料参数和加工质量不稳定时还会对本就形变微小的调节结构造成巨大的影响，所以让整个系统构成刚性系统是有必要的，这便是本发明实现解耦的一种体现，且刚性力可以主动发挥调节作用，而非被动的去适应零件之间的变形差异。

如图3和图4所示的，限位件5安装在支架上，其与支架固定连接，限位件5用于限制反射镜1在相应方向的位移，图中所示的则是限制反射镜1在竖直方向的位移，其可以与支架配合对反射镜1施加下压力，而支架则负责对反射镜1施加上顶力，则反射镜1与支架以及限位件5便不必绑定，使得反射镜1局部可相对于支架以及限位件5在水平方向任意移动，便可允许反射镜1在横向自由热变形，而不受支架与限位件5横向的限制。

同样的，限位件5也为刚性结构件，其与反射镜1的连接面也为刚性接触，刚性结构件与刚性接触与上述支架的刚性类似，起到使调节更加精准并降低设计难度以及非被动适应热变形不一致等作用。同时，因限位件5与反射镜1是紧密且刚性接触的，因此限位件5整体或局部采用与反射镜1相同或相近热膨胀系数的材料，这样便可使得限位件5不会因与反射镜1的热变形量存在较大差别而出现挤压反射镜1或者与反射镜1分离而丧失限位作用。当限位件5采用局部与反射镜1热膨胀系数相同或相近的材料时，其为拼接结构，形成拼接限位件7，如图6所示的，局部与反射镜1材料热膨胀系数相同或相近的材料对应布置在反射镜1可能受挤压的部位，且至少覆盖完反射镜1可能受挤压的部位。

如图3和图4所示的，限位件5和支架同时与反射镜1接触的四个面均为平面，且平面的方向与支架对反射镜1的调节力的方向垂直，图中所示为垂直于反射镜1光轴。因该平面与基板2平行，支架和限位件5又未与反射镜1绑定连接，故允许反射镜1在垂直于支架对其调节力的方向自由形变和位移，通过该种结构形式，便可使得反射镜1只受到支架和限位件5的调节力，而不受其他方向因热膨胀量不一致而引起的结构件的约束，从而使形状调节更准确的同时降低设计难度，这便是本发明解耦的另一种体现。因当反射镜1的材料与基板2的材料不一致时，基板2在水平方向的热变形量将与反射镜1的水平方向热变形量不一致，如果还同图2所示的采用绑定连接或者接触面不为平面，那么基板2和反射镜1的水平热变形量的不一致就会通过支架或者限位件5影响反射镜1的形状，而将接触面设置为平面后便可消除该种影响。

为了解决上述基板2与反射镜1因在水平方向的热变形量不一致而影响反射镜1面形的问题，还可以采用与反射镜1的热膨胀系数相同或相近的材料作为基板2，这样可使得基板2与反射镜1在水平方向的热变形量不会出现明显的不一致，进而避免通过支架影响反射镜1的形状。

如图6所示，支架与基板2采用不同热膨胀系数的材料进行拼接，从而产生拼接支架8和拼接基板10，拼接可以是两种材料也可以是多种材料，该种方式可使拼接基板10与基板2产生新的热膨胀系数，进而增加材料的可选范围，同时更容易满足设计要求。

如图6所示，通过在支架上进行局部的削弱使其成为局部削弱支架9，使得局部削弱支架9可沿垂直于原支架对反射镜1调节力的方向产生微小变形，所述微小变形垂直所述调节力使得其不会影响局部削弱支架9对反射镜1的调节作用，该种削弱方式也基本不会影响局部削弱支架9在竖直方向的刚度，因此不会影响局部削弱支架9对反射镜1调节力的施加，但该微小变形使得局部削弱支架9可以适应基板2与反射镜1在水平方向的变形量的不一致，而降低因反射镜1与基板2热变形量不一致造成的对反射镜1形状的影响，这也是对上述热变形不一致的一种补偿方式。

整个反射镜面形自适应热调节结构的一种典型工作过程为：以图3为例，当温度升高时，反射镜1两侧的高膨胀支架3在竖直方向的热变形量要大于中间部位的低膨胀支架4，因此对反射镜1形成了外顶中拉的力，致使反射镜1的半径变小即变得更凹，以抵消反射镜1自身在温度升高条件下直径变大即更平的趋势，使得反射镜1能够在温度升高条件下半径保持不变或按照设计要求变化；同时因反射镜1与基板2在横向的热变形量不一致，会导致两侧的高膨胀支架3沿其与反射镜1接触的平面产生滑动，但该滑动不会影响对反射镜1的调节。而当温度降低时，所产生的情况与温度升高时相反，反射镜1会受到外压中顶的力，此时外压力由限位件5提供，便可抵消反射镜1自身在温度降低条件下直径变小即更凹的趋势，两侧高膨胀支架3与限位件5同样相对于反射镜1水平滑动，以消除反射镜1与基板2在横向的热变形量不一致的影响。

当需要通过本发明提出的结构精准地控制反射镜1面形时，可以如图5所示的，在反射镜1背部安装多种热膨胀系数的支架，例如图中所增加的中膨胀支架6，且支架安装的位置和尺寸可根据调节需要灵活布置，这样可以通过不同热膨胀系数支架之间热变形量的差异使反射镜1产生局部的形状变化。

总之，本发明提出的反射镜面形自适应热调节结构通过对反射镜布置不同热膨胀系数的支架，借助不同热膨胀系数的支架在温度变化过程中热变形量的差异对反射镜1产生作用力来调节反射镜1的面形，以此实现反射镜1在温变情况下的面形自适应效果，且支架、限位件5、反射镜1以及基板2构成刚性系统以实现解耦，同时通过反射镜1与基板2之间热变形的解耦极大降低了结构的设计难度，并提升了结构的可靠性与实用性。本发明不仅可以用于对反射镜原有面形精度的保持还可用于将反射镜主动调节成需要的面形。相较于传统反射镜单纯的安装结构以及主动调节装置，本结构可以实现反射镜在温变环境下面形的自动调节，而无需任何主动驱动装置，同时不受结构件热变形影响，且通过刚性系统以及热变形解耦等方式极大降低了结构的设计难度并提升了结构的可靠性和适用性，能够克服现有反射镜安装装置与结构存在的驱动力不足、需要实时监测与复杂控制、材料受限以及无法克服结构件影响等问题。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种反射镜面形自适应热调节结构，其特征在于，包括反射镜（1）、支架以及基板（2），所述反射镜（1）与所述支架连接，所述支架安装在所述基板（2）上；所述支架具有不同的热膨胀系数，能够在温度变化过程中为所述反射镜（1）提供不同方向的力，以调节反射镜（1）的面形。

2.根据权利要求1所述的一种反射镜面形自适应热调节结构，其特征在于：所述支架为刚性支架，所述支架与所述反射镜（1）的连接面为刚性接触。

3.根据权利要求2所述的一种反射镜面形自适应热调节结构，其特征在于：还包括限位件（5），所述限位件（5）安装在所述支架上，所述限位件（5）用于限制所述反射镜（1）的位移。

4.根据权利要求3所述的一种反射镜面形自适应热调节结构，其特征在于：所述限位件（5）为刚性结构件，其与所述反射镜（1）的连接面为刚性接触，所述限位件（5）整体或局部采用与所述反射镜（1）相同或相近热膨胀系数的材料。

5.根据权利要求4所述的一种反射镜面形自适应热调节结构，其特征在于：所述限位件（5）和所述支架同时与所述反射镜（1）接触的面均为平面，且所述平面的方向与所述支架对所述反射镜（1）的调节力的方向垂直，所述支架和所述限位件（5）允许所述反射镜（1）在垂直于所述支架对所述反射镜（1）的调节力的方向自由形变和位移。

6.根据权利要求1所述的一种反射镜面形自适应热调节结构，其特征在于：所述基板（2）与所述反射镜（1）的热膨胀系数相同或相近。

7.根据权利要求1所述的一种反射镜面形自适应热调节结构，其特征在于：所述支架与所述基板（2）中的其一或两者采用不同热膨胀系数的材料进行拼接。

8.根据权利要求1所述的一种反射镜面形自适应热调节结构，其特征在于：所述支架可沿垂直于所述支架对所述反射镜（1）的调节力的方向产生微小变形。