CN209148958U - 极端温度环境下反射式望远镜的支撑装置 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种极端温度环境下反射式望远镜的支撑装置，包括封闭框架、反射镜弹性支撑结构、封闭反射镜、反射镜位姿调节动装置、框架弹性安装脚。封闭框架以及封闭反射镜均具有夹层式封闭结构，用于减小极端温度下反射镜自身面型变化以及框架外部光学系统对内部光学系统的影响。反射镜弹性支撑结构用于消除封闭框架与封闭反射镜之间的热力耦合。反射镜位姿调节装置可以驱动装置中的反射镜相对于封闭反射镜进行位姿调节，用于补偿光机结构热变形造成的光学误差。框架弹性安装脚用于消除光学安装平台对封闭框架的影响。该装置适用于需在极端温度下保持高精度收发光轴配准和光斑质量的激光主动探测系统，以及高分辨率成像的主被动结合的光电探测系统。

Description

极端温度环境下反射式望远镜的支撑装置

技术领域：

本专利涉及一种极端温度环境下反射式望远镜的支撑装置，具体是指一种由封闭框架、弹性支撑的封闭反射镜以及由位姿调节装置支撑的反射镜构成的望远镜支撑形式。它用于极端温度下工作并需要保持多光轴配准的光学系统。

背景技术：

工作于室温或者地表温度环境下的反射式望远镜，由于温度变化范围小，望远镜支撑结构热变形对反射镜面型以及各光学系统之间的光轴配准精度影响小，多采用刚度好但与反射镜材料不匹配的材料进行静态刚性连接，以减少由于其他因素造成的光学系统工作不稳定。而对于工作于火星、深空以及其他极端温度条件下的光学系统，极端温度造成的各部间热变形对光学系统性能影响严重，不能采用传统的刚性静态连接。因此需要一种可以消除反射镜受热变形影响以及可以对光学像质动态补偿的反射式望远镜支撑形式。

发明内容：

本专利目的是提供一种在极端温度下实现高精度多光轴配准光学系统的支撑形式。专利的核心是通过匹配不同材料的热膨胀系数减小热变形，通过各部分结构刚柔结合的设计将框架以及框架内外不同结构间热变形的相互影响进行解耦，从而保证整个光学系统在极端温度下的多光轴配准精度。

该专利通过具有内夹层封闭式结构的主框架实现整个光学系统的主体支撑，框架材料与光学系统中的主镜保持热膨胀系数的高度匹配。封闭反射镜同样采用内夹层封闭式结构，通过周边弹性支撑结构固定在主框架内部。弹性支撑结构材料热膨胀系数与主镜热膨胀系数高度匹配，支撑结构各安装脚设计有弹性卸载结构，可以解除极端温度下主镜与封闭框架之间的热力耦合。反射镜位姿调节装置由反射镜支撑结构和运动机构组成。其中反射镜支撑结构由热膨胀系数近似为零的材料进行制作，对反射镜进支撑，用于减小支撑结构在极端温度下变形引起的光学角度误差，进行反射镜姿态控制。反射镜支撑结构安装在运动机构上，从而使反射镜可以相对于封闭反射镜进行位置精密调节。其余小型光学元件安装在主框架的各外表面；主框架底部安装有多个安装脚，各安装脚设计有弹性卸载结构，用于解除极端温度下光学组件与安装平台之间的热力耦合。

具体结构描述如下：

一种极端温度环境下反射式望远镜的支撑装置包括封闭框架1、反射镜弹性支撑结构2、封闭反射镜3、反射镜位姿调节装置4以及框架弹性安装5，其中：

所述封闭框架1具有夹层式封闭结构，用于减小极端温度下框体结构的形变以及框架外部光学元件对内部光学系统的影响，保证光学系统极端温度下的高精度相对位置；

所述封闭反射镜3具有封闭夹层式结构，用于保持极端温度下反射镜高精度面型；

所述反射镜弹性支撑结构2安装在封闭框架1内部，并与封闭反射镜3固定连接，用于消除封闭框架1对封闭反射镜3光学面型的影响，所述反射镜位姿调节装置4固定安装在封闭框架1内部，反射镜位姿调节装置4可驱动调节装置中的反射镜4-1相对于封闭反射镜1进行位置、姿态调节，用于补偿由于光机结构热变形造成的光学误差，所述框架弹性安装脚5固定安装在封闭框架1外部，用于消除光学安装平台对封闭框架1的影响。

所述的封闭框架1由外蒙皮1-1、框架内部支撑结构1-2、内蒙皮1-3构成，所述的框架内部支撑结构1-2将外蒙皮1-1与内蒙皮1-3固定连接在一起，所述的外蒙皮1-1、框架内部支撑结构1-2、内蒙皮1-3材料热膨胀系数与封闭反射镜3热膨胀系数相同，用于减小极端温度下封闭框架1与封闭反射镜3的热变形差异。

所述的反射镜弹性支撑结构2由多个相同形状的弹性安装脚2-1组成，三个弹性安装脚2-1布置在封闭反射镜3周边，一端与封闭反射镜3周边进行固定连接，另一端与封闭框架1进行固定连接。所述的弹性安装脚2-1具有弹性结构设计，用于解除封闭反射镜3与封闭框架1的热力耦合，弹性安装脚2-1材料热膨胀系数与封闭反射镜3热膨胀系数接近，用于减小极端温度下反射镜弹性支撑结构2与封闭反射镜3的热变形差异。

所述的封闭反射镜3由反射面3-1、反射镜内部支撑结构3-2以及反射镜盖板3-3组成，反射镜内部支撑结构3-2将反射面3-1与反射镜盖板3-3固定连接在一起，所述反射镜盖板3-3及反射镜内部支撑结构3-2用于构成反射镜内部加强、整体封闭的结构，增加封闭反射镜3抗外力干扰能力。

所述的反射镜位姿调节装置4由反射镜4-1反射镜支撑结构4-2与运动机构4-3构成；所述的反射镜4-1固定安装在反射镜支撑结构4-2上，所述的反射镜支撑结构4-2采用与反射镜4-1热膨胀系数相同的材料制作，用于减小支撑结构在极端温度下变形引起的光学角度误差，进行反射镜姿态控制，所述的运动机构4-3一端固定安装在封闭框架1内部，另一端与反射镜支撑结构4-2固定连接。所述的运动机构4-3可以驱动反射镜支撑结构4以及反射镜4-1相对于封闭主镜3进行反射镜4-1位置精密调节。

所述的框架安装脚5一端与封闭框架1相互固定连接，另一端与封闭框架1外的安装平台进行连接，用于支撑整个封闭框架1，框架安装脚通具有弹性结构，用于解除封闭框架与外部安装平台间的热力耦合。

本专利的优点在于：

1)本专利中带有内部支撑结构的封闭框架形式与传统的单面具有加强筋的开放式框架形式相比具有更高的结构刚度以及热变形均匀性，不仅可以减小极端温度下框体结构的形变对内部光学系统的影响，同时也可以避免框架外部光学元件极端温度下变形对内部光学系统的影响。

2)周边布置的封闭反射镜弹性支撑装置可以有效卸载封闭反射镜与封闭框架之间在极端温度下的热变形不匹配造成的热应力，减少热应力对封闭反射镜的影响，使其在极端温度下可以保持良好的面型。同时也可以满足封闭反射镜的抗力学性能要求。

3)封闭结构反射镜相较于背部无封闭盖板的背部开放式反射镜，从结构上具有更好的刚度，可以更好抵御来自外部的干扰力，保持自身良好面型。

4)反射镜位姿调节装置中的反射镜支撑结构由热膨胀系数近似为零的材料进行制作，对反射镜进支撑，以减小反射镜在极端温度下的位置与角度姿态变化，减少望远镜系统中的慧差。

5)通过反射镜位姿调节装置中的运动机构使得反射镜具有相对于封闭反射镜进行位置精密调节的能力，可以在支撑结构极端温度下收缩或膨胀变形情况下，对离焦等情况进行实时补偿。

6)封闭主框架外部安装多个具有弹性卸载设计的安装脚，在保证整个光机结构抗力学性能的同时，解除极端温度下光学组件与安装平台之间的热力耦合。

附图说明：

图1为极端温度环境下反射式望远镜支撑装置外观示意图；

图中：

1——封闭框架；

5——框架弹性安装脚；

图2为极端温度环境下反射式望远镜支撑装置内部组成示意图；

图中：

1——封闭框架；

2——反射镜弹性支撑结构；

3——封闭反射镜；

4——反射镜位姿调节装置；

5——框架弹性安装脚；

图3为封闭框架结构示意图；

图中：

1-1——外蒙皮；

1-2——框架内部支撑结构；

1-3——内蒙皮；

图4为反射镜弹性支撑结构示意图；

图中：

2-1——弹性安装脚；

图5为封闭反射镜结构示意图。

图中：

3-1——反面镜；

3-2——反射镜内部支撑结构：

3-3——反射镜盖板；

图6为反射镜位姿调节装置示意图。

图中：

4-1——反射镜；

4-2——反射镜支撑结构：

4-3——运动机构。

具体实施方式：

一种极端温度环境下反射式望远镜支撑装置，由封闭框架1、反射镜弹性支撑结构2、封闭反射镜3、反射镜弹性支撑结构4反射镜位姿调节装置5框架弹性安装脚6构成。所述封闭反射镜3为光学系统中主镜，所述反射镜位姿调节装置中的反射镜4-1为光学系统中的次镜，主反射镜与次反射镜构成完整的光学系统。所述反射镜位姿调节装置中的运动机构4-3为直线运动机构，可以驱动次镜(即反射镜4-1)沿主镜(即封闭反射镜3)光轴方向进行位置精密调节。同时封闭框架外部安装其他光学模块，由于不属于权利要求范围，故未在图中进行示意。

所述封闭反射镜3材料为碳化硅，热膨胀系数为2.3×10^-6，封闭反射镜3由反射面3-1、反射镜内部支撑结构3-2以及反射镜盖板3-3组成。所述反射镜盖板3-3及反射镜内部支撑结构3-2用于构成反射镜“内部加强、整体封闭”的封闭夹层结构，增加封闭反射镜3抗外力干扰能力。

所述的封闭框架1由外蒙皮1-1、框架内部支撑结构1-2、内蒙皮1-3组成“内部加强、整体封闭”的封闭夹层结构。封闭框架外蒙皮1-1、框架内部支撑结构1-2以及内蒙皮1-3材料采用碳纤维材料制成，碳纤维材料热膨胀系数为2×10^-6，与封闭反射镜3热膨胀系数接近。所述的封闭框架1可设计为侧面开孔形式，用于将封闭反射镜以及反射镜位姿调节装置安装在封闭框架内1，随后通过增加框架盖板的方式，将框架开孔利用盖板封堵，仍保持框架整体封闭的结构形式。

所述反射镜弹性支撑结构2由三个相同形状的弹性安装脚2-1组成。所述弹性安装脚2-1采用殷钢材料制成，热膨胀系为2.3×10^-6，与封闭反射镜热膨胀系数相同，用于减小极端温度下反射镜弹性支撑结构2与封闭反射镜3的热变形差异。三个弹性安装脚2-1布置在封闭反射镜3周边，一端与封闭反射镜3周边进行通过胶结剂进行连接，另一端与封闭框架1通过螺栓进行固定连接。所述弹性安装脚2-1的两条支腿上设计有不同方向的通槽，作为弹性卸载结构，用于解除封闭反射镜3与封闭框架1的热力耦合。

所述的反射镜位姿调节装置4由反射镜4-1反射镜支撑结构4-2与运动机构4-3构成。所述的反射镜支撑结构4-2采用殷钢材料进行制作，其热膨胀系数与反射镜4-1相同，用于减小反射镜支撑结构在极端温度下变形引起的反射镜4-1光学角度误差，进行反射镜姿态控制。反射镜支撑结构4-2与反射镜4-1通过粘接剂或螺钉固定连接。所述运动机构5由电机、丝杠、螺母以及导轨构成。运动机构中螺母与反射镜支撑结构4-2通过螺钉固定连接，运动机构4-3中的导轨与通过螺钉安装在封闭框架1内部。电机驱动丝杠转动，带动螺母以及螺母上固定连接的反射镜支撑结构4-2和反射镜4-1沿封闭反射镜3光轴方向前后移动，进行反射镜4-1位置精密调节。

所述的框架安装脚5采用钛合金材料进行制作，一端通过螺钉以及销钉固定连接在封闭框架1外部，另一端通过螺钉与安装平台进行连接。所述的框架安装脚5具有弹性结构设计，用于解除封闭框架与外部安装平台间的热力耦合。

所述封闭框架1材料除碳纤维材料之外，还可以替换为碳/碳化硅以及碳化硅等与主镜热膨胀系数接近且可以用于制作结构支撑的材料；所述的反射镜盖板3-3结构，还可以替换有镂空的半封闭盖板，形成半封闭反射镜；所述的运动机构4-3除上述单自由度直线运动机构外还可以采用多自由度六维并联机构等机构形式进行驱动，这些均属于本领域技术人员的常规替换，在此不再赘述。

本专利的保护范围包括但不限于上述优选实施方式，任何公知的替换方式，均落入本专利的保护范围内。

Claims (6)

1.一种极端温度环境下反射式望远镜的支撑装置，包括封闭框架(1)、反射镜弹性支撑结构(2)、封闭反射镜(3)、反射镜位姿调节装置(4)以及框架弹性安装脚(5)，其特征在于：

所述封闭框架(1)具有夹层式封闭结构，用于减小极端温度下框体结构的形变以及框架外部光学元件对内部光学系统的影响，保证光学系统极端温度下的高精度相对位置；

所述封闭反射镜(3)具有封闭夹层式结构，用于保持极端温度下反射镜高精度面型；

所述反射镜弹性支撑结构(2)安装在封闭框架(1)内部，并与封闭反射镜(3)固定连接，用于消除封闭框架(1)对封闭反射镜(3)光学面型的影响，所述反射镜位姿调节装置(4)固定安装在封闭框架(1)内部，反射镜位姿调节装置(4)可驱动调节装置中的反射镜(4-1)相对于封闭反射镜(3)进行位置、姿态调节，用于补偿由于光机结构热变形造成的光学误差，所述的框架弹性安装脚(5)固定安装在封闭框架(1)外部，用于消除光学安装平台对封闭框架(1)的影响。

2.根据权利要求1所述的极端温度环境下反射式望远镜的支撑装置，其特征在于，所述的封闭框架(1)由外蒙皮(1-1)、框架内部支撑结构(1-2)、内蒙皮(1-3)构成，所述的框架内部支撑结构(1-2)将外蒙皮(1-1)与内蒙皮(1-3)固定连接在一起，所述的外蒙皮(1-1)、框架内部支撑结构(1-2)、内蒙皮(1-3)材料热膨胀系数与封闭反射镜(3)热膨胀系数相同，用于减小极端温度下封闭框架(1)与封闭反射镜(3)的热变形差异。

3.根据权利要求1所述的极端温度环境下反射式望远镜的支撑装置，其特征在于，所述的反射镜弹性支撑结构(2)由多个相同形状的弹性安装脚(2-1)组成，三个弹性安装脚(2-1)布置在封闭反射镜(3)周边，一端与封闭反射镜(3)周边进行固定连接，另一端与封闭框架(1)进行固定连接；所述的弹性安装脚(2-1)具有弹性结构设计，用于解除封闭反射镜(3)与封闭框架(1)的热力耦合，弹性安装脚(2-1)材料热膨胀系数与封闭反射镜(3)热膨胀系数接近，用于减小极端温度下反射镜弹性支撑结构(2)与封闭反射镜(3)的热变形差异。

4.根据权利要求1所述的极端温度环境下反射式望远镜的支撑装置，其特征在于，所述的封闭反射镜(3)由反射面(3-1)、反射镜内部支撑结构(3-2)以及反射镜盖板(3-3)组成，反射镜内部支撑结构(3-2)将反射面(3-1)与反射镜盖板(3-3)固定连接在一起，所述反射镜盖板(3-3)及反射镜内部支撑结构(3-2)用于构成反射镜内部加强、整体封闭的结构，增加封闭反射镜(3)抗外力干扰能力。

5.根据权利要求1所述的极端温度环境下反射式望远镜的支撑装置，其特征在于，所述的反射镜位姿调节装置(4)由反射镜(4-1)反射镜支撑结构(4-2)与运动机构(4-3)构成；所述的反射镜(4-1)固定安装在反射镜支撑结构(4-2)上，所述的反射镜支撑结构(4-2)采用与反射镜(4-1)热膨胀系数相同的材料制作，用于减小支撑结构在极端温度下变形引起的光学角度误差，进行反射镜姿态控制，所述的运动机构(4-3)一端固定安装在封闭框架(1)内部，另一端与反射镜支撑结构(4-2)固定连接；所述的运动机构(4-3)可以驱动反射镜支撑结构(4-2)以及反射镜(4-1)相对于封闭主镜(3)进行反射镜(4-1)位置精密调节。

6.根据权利要求1所述的极端温度环境下反射式望远镜的支撑装置，其特征在于，所述的框架弹性安装脚(5)一端与封闭框架(1)相互固定连接，另一端与封闭框架(1)外的安装平台进行连接，用于支撑整个封闭框架(1)，框架安装脚通具有弹性结构，用于解除封闭框架与外部安装平台间的热力耦合。