本發(fā)明涉及一種大徑厚比光學元件的支撐系統(tǒng)和方法，屬于機械設計及力學分析技術領域。

背景技術：

隨著現(xiàn)代光學理論及其工程實施技術的不斷發(fā)展，大徑厚比光學元件以極高的頻率出現(xiàn)在了一些國內外的大型光學系統(tǒng)當中。由于該類光學元件具有徑向尺寸大而法向尺寸小的特點，常規(guī)的光學元件周向支撐結構雖然能夠實現(xiàn)其基本的定位需求，但光學元件中間的部分則會由于重力及大尺寸跨度的影響而產生下沉，進而影響光學元件的面型精度。從另外一個方面來講，光學元件中間的部分為通光區(qū)域，光學系統(tǒng)的設計要求在此區(qū)域內不得增加任何輔助的支撐結構。因而，滿足更高面型精度要求的大徑厚比光學元件支撐結構設計成為了該領域中一項重要的工程難題。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種大徑厚比光學元件的支撐系統(tǒng)和方法，采用四個支撐點替代了常規(guī)的巨大環(huán)形支撐面對光學元件進行支撐,并提出了具體的支撐系統(tǒng)設計方案，以簡單易行的結構實現(xiàn)了對大徑厚比光學元件的高面型精度支撐。

一種大徑厚比光學元件的支撐方法，該方法將光學元件上劃分出的支撐區(qū)和支撐點如下：一個二象限外支撐區(qū)、一個上支撐點、一個一象限外支撐區(qū)、一個一象限內支撐區(qū)、一個右支撐點、一個四象限內支撐區(qū)、一個四象限外支撐區(qū)、一個下支撐點、一個三象限外支撐區(qū)、一個三象限內支撐區(qū)、一個左支撐點、一個二象限內支撐區(qū)；所有支撐點之間的連線所構成的閉環(huán)，其內部區(qū)域和外部區(qū)域的質量相等，支撐點一旦確定，總存在一種分割方法可以使得每兩個支撐點之間的連線各有一塊局部內部區(qū)域和局部外部區(qū)域，且該局部內部區(qū)域和局部外部區(qū)域質量相等且相對于兩個支撐點之間的連線呈絕對的幾何對稱關系，所述二象限外支撐區(qū)和二象限內支撐區(qū)面積相等且相對于上支撐點和左支撐點之間的連線呈對稱關系，所述一象限外支撐區(qū)和一象限內支撐區(qū)面積相等且相對于上支撐點和右支撐點之間的連線呈對稱關系，所述四象限內支撐區(qū)和四象限外支撐區(qū)面積相等且相對于右支撐點和下支撐點之間的連線呈對稱關系，所述三象限外支撐區(qū)和三象限內支撐區(qū)面積相等且相對于下支撐點和左支撐點之間的連線呈對稱關系。

光學元件的基本支撐原理分為周向平面支撐原理和周向多點支撐原理兩大類；周向平面支撐原理對水平放置的光學元件底面四周采用一個整體的支撐面來進行支撐；該原理應用于常規(guī)的光學元件支撐本來沒有問題，但是面向具有大口徑和大經厚比特點的光學元件則對支撐面的面型加工精度極其苛刻，且采用該支撐方式還存在光學元件中間部分由于重力作用下沉明顯且無法通過其它方式補償?shù)娜秉c。因此，周向多點支撐原理是解決大口徑大經厚比光學元件支撐問題的有效途徑。為保證光學元件支撐系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性，支撐點的數(shù)量應該保持在三點以及三點以上。另外，為了更好的體現(xiàn)周向多點支撐原理相對于周向平面支撐原理的優(yōu)越性，降低對支撐平面的加工及控制要求，支撐點的數(shù)量應該在滿足實際使用要求的前提下越小越好。

在此基礎上，本發(fā)明認為要確定該類大口徑大經厚比光學元件周向多點支撐的支撐點數(shù)量和支撐點位置布局，還需要遵守以下兩項基本原則。原則一：所有支撐點之間的連線所構成的閉環(huán)，其內部區(qū)域和外部區(qū)域的質量應該相等，即在所述上支撐點、右支撐點、下支撐點、左支撐點四個支撐點連線所組成的正方形，將所述光學元件分割成為了由一象限內支撐區(qū)、四象限內支撐區(qū)、三象限內支撐區(qū)、二象限內支撐區(qū)組成的內部區(qū)域和由二象限外支撐區(qū)、一象限外支撐區(qū)、四象限外支撐區(qū)、三象限外支撐區(qū)組成的外部區(qū)域，且該內部區(qū)域和外部區(qū)域的質量相等，表象到所述基本原理圖上即所述內部區(qū)域和外部區(qū)域的面積相等；原則二：支撐點一旦確定，總存在一種分割方法可以使得每兩個支撐點之間的連線各有一塊局部內部區(qū)域和局部外部區(qū)域，且該局部內部區(qū)域和局部外部區(qū)域質量相等且相對于兩個支撐點之間的連線呈絕對的幾何對稱關系，所述二象限外支撐區(qū)和二象限內支撐區(qū)面積相等且相對于上支撐點和左支撐點之間的連線呈對稱關系，所述一象限外支撐區(qū)和一象限內支撐區(qū)面積相等且相對于上支撐點和右支撐點之間的連線呈對稱關系，所述四象限內支撐區(qū)和四象限外支撐區(qū)面積相等且相對于右支撐點和下支撐點之間的連線呈對稱關系，所述三象限外支撐區(qū)和三象限內支撐區(qū)面積相等且相對于下支撐點和左支撐點之間的連線呈對稱關系。

其中原則一的作用機理是在于從整體上考慮，使得支撐點內部區(qū)域和外部區(qū)域之間相互補償，減少由于重力導致的整體面型畸變。原則二的作于機理是在于局部細節(jié)上的考慮，使得支撐點局部內部區(qū)域和局部外部區(qū)域之間相互補償，進一步的減少由于重力導致的局部面型畸變。根據(jù)所述基本原理和原則，確定了所述基本原理圖中展示的本發(fā)明的支撐點數(shù)量和布局位置關系。

一種大徑厚比光學元件支撐系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個光學元件、一個支撐模塊調節(jié)螺紋孔、一個光學元件下表面、一個底框凹槽面、三個支撐模塊安裝螺紋孔、四個支撐模塊、一個彈性環(huán)、一個底框下表面、一個底框上表面以及一個底框；所述光學元件為一個矩形薄板類透射元件，所述底框為一個矩形環(huán)狀框體類零件，底框上表面上加工了一個所述底框凹槽面，在所述底框凹槽面上的四邊中點分別布置了一個螺紋孔，其中三個為所述支撐模塊安裝螺紋孔，另外一個為所述支撐模塊調節(jié)螺紋孔；所述支撐模塊為一個用于支撐所述光學元件的裝配體；

所述支撐模塊包括一個頂殼、一個活動腔、一個頂殼螺紋孔、一個端桿、一個二級螺釘壓緊面、一個二級螺釘、一個一級螺紋軸、一個二級螺紋軸、一個弧形頂面以及一個頂殼接觸面；所述頂殼的上表面用于和所述光學元件進行接觸安裝；所述頂殼為一個中空且下部開口的塊體類零件，其內部腔體為所述活動腔；所述活動腔用于限制所述二級螺紋軸和弧形頂面在其內部的轉動；所述二級螺紋軸和弧形頂面通過螺紋旋入所述頂殼螺紋孔并一直擰緊直到其脫離所述頂殼螺紋孔進入所述活動腔。所述弧形頂面通過與所述頂殼接觸面接觸安裝實現(xiàn)所述頂殼相對于二級螺釘?shù)男D運動；

所述彈性環(huán)包括四個轉折梁、一個上環(huán)面、一個上環(huán)梁、一個下環(huán)梁以及一個下環(huán)面，所述上環(huán)梁和下環(huán)梁主要起到定形的作用，所述上環(huán)面和下環(huán)面主要起到接觸安裝的作用，所述四個轉折梁為具有兩個直角轉角的彈性梁，用于建立所述上環(huán)梁和下環(huán)梁之間的彈性連接，隨著所述上環(huán)面和下環(huán)面之間的壓緊力的增大，其間的位移變化相對較小，可以實現(xiàn)對應位置處支撐模塊相對于所述光學元件法向方向位置的精密調節(jié)。

在所述三個支撐模塊安裝螺紋孔對應的位置，每一個支撐模塊通過其自身的一級螺紋軸與所述底框的支撐模塊安裝螺紋孔進行螺紋連接，所述二級螺釘壓緊面與所述底框下表面進行接觸安裝。在所述一個支撐模塊調節(jié)螺紋孔對應的位置，一個支撐模塊通過其自身的一級螺紋軸與所述底框的支撐模塊調節(jié)螺紋孔進行螺紋連接，所述二級螺釘壓緊面與所述下環(huán)面進行接觸安裝。所述彈性環(huán)套于所述一級螺紋軸的外表面，并通過其自身的上環(huán)面與所述底框下表面進行接觸安裝，所述頂殼通過所述頂殼螺紋孔和二級螺紋軸之間的螺紋配合關系將所述二級螺紋軸和弧形頂面導入所述活動腔，所述弧形頂面與頂殼接觸面進行點接觸安裝，實現(xiàn)所述頂殼相對于二級螺釘?shù)膬蓚€旋轉自由度的自適應調節(jié)，所述光學元件通過其自身的光學元件下表面與四個所述頂殼的上表面進行接觸安裝。

有益效果：

1、本發(fā)明的一種大徑厚比光學元件的支撐方法,采用四個支撐點替代了常規(guī)的巨大環(huán)形支撐面對光學元件進行支撐，有效的利用了光學元件自身的重力來降低重力對光學元件面型的影響，在理論上實現(xiàn)了完全的自相互補償。所提出的方法大大的降低的對于光學元件支撐表面的加工精度要求，減少了制造成本，提高了光學元件支撐系統(tǒng)工程實施過程的效率。

2、本發(fā)明的一種大徑厚比光學元件的支撐系統(tǒng),采用弧形面與平面之間的點接觸對作為光學元件支撐模塊的傳遞環(huán)節(jié)，能夠自適應的將頂殼的上支撐表面調整到與光學元件下表面完全接觸的狀態(tài)，能夠有效的減少支撐過程中對光學元件產生的局部應力集中，提高光學元件的面型精度。所述支撐系統(tǒng)基于“三點確定一個面”的基本原理，對第四個支撐模塊采用彈性環(huán)結構作為中間撓性連接件，實現(xiàn)的第四個支撐模塊位置的微調功能，進而從技術上保證了所述支撐方法中要求的四點支撐的狀態(tài)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基本原理圖；

圖2為本發(fā)明的實施方法示意圖；

圖3為本發(fā)明的一種大徑厚比光學元件支撐系統(tǒng)示意圖；

圖4為本發(fā)明的一個支撐模塊示意圖；

圖5為本發(fā)明的彈性環(huán)結構示意圖。

其中，1、光學元件，2、二象限外支撐區(qū)，3、上支撐點，4、一象限外支撐區(qū)，5、一象限內支撐區(qū)，6、右支撐點，7、四象限內支撐區(qū)，8、四象限外支撐區(qū)，9、下支撐點，10、三象限外支撐區(qū)，11、三象限內支撐區(qū)，12、左支撐點，13、二象限內支撐區(qū)，14、上支撐面，15、右支撐面，16、上偏支撐面，17、下支撐面，18、下偏支撐面，19、下偏支撐點，20、上偏支撐點，21、左支撐面，22、支撐模塊調節(jié)螺紋孔，23、光學元件下表面，24、底框凹槽面，25、支撐模塊安裝螺紋孔，26、支撐模塊，27、彈性環(huán)，28、底框下表面，29、底框上表面，30、底框，31、頂殼,32、活動腔，33、頂殼螺紋孔，34、端桿，35、二級螺釘壓緊面，36、二級螺釘，37、一級螺紋軸，38、二級螺紋軸，39、弧形頂面，40、頂殼接觸面，41、轉折梁，42、上環(huán)面，43、上環(huán)梁，44、下環(huán)梁，45、下環(huán)面。

具體實施方式

下面結合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細描述。

本發(fā)明提供了一種大徑厚比光學元件的支撐方法，如附圖1所示，該方法將光學元件上劃分出的支撐區(qū)和支撐點如下：一個光學元件1、一個二象限外支撐區(qū)2、一個上支撐點3、一個一象限外支撐區(qū)4、一個一象限內支撐區(qū)5、一個右支撐點6、一個四象限內支撐區(qū)7、一個四象限外支撐區(qū)8、一個下支撐點9、一個三象限外支撐區(qū)10、一個三象限內支撐區(qū)11、一個左支撐點12、一個二象限內支撐區(qū)13。

光學元件的基本支撐原理可以分為周向平面支撐原理和周向多點支撐原理兩大類。所述周向平面支撐原理，對水平放置的光學元件底面四周采用一個整體的支撐面來進行支撐。該原理應用于常規(guī)的光學元件支撐本來沒有問題，但是面向具有大口徑和大經厚比特點的光學元件則對支撐面的面型加工精度極其苛刻，且采用該支撐方式還存在光學元件中間部分由于重力作用下沉明顯且無法通過其它方式補償?shù)娜秉c。因此，多點支撐原理是解決大口徑大經厚比光學元件支撐問題的有效途徑。為保證光學元件支撐系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性，支撐點的數(shù)量應該保持在三點以及三點以上。另外，為了更好的體現(xiàn)周向多點支撐原理相對于周向平面支撐原理的優(yōu)越性，降低對支撐平面的加工及控制要求，支撐點的數(shù)量應該在滿足實際使用要求的前提下越小越好。在此基礎上，本發(fā)明認為要確定該類大口徑大經厚比光學元件周向多點支撐的支撐點數(shù)量和支撐點位置布局，還需要遵守以下兩項基本原則。原則一：所有支撐點之間的連線所構成的閉環(huán)，其內部區(qū)域和外部區(qū)域的質量應該相等，即在本發(fā)明中所述上支撐點3、右支撐點6、下支撐點9、左支撐點12四個支撐點連線所組成的正方形，將所述光學元件1分割成為了由一象限內支撐區(qū)5、四象限內支撐區(qū)7、三象限內支撐區(qū)11、二象限內支撐區(qū)13組成的內部區(qū)域和由二象限外支撐區(qū)2、一象限外支撐區(qū)4、四象限外支撐區(qū)8、三象限外支撐區(qū)10組成的外部區(qū)域，且該內部區(qū)域和外部區(qū)域的質量相等，表象到所述基本原理圖上即所述內部區(qū)域和外部區(qū)域的面積相等。原則二：支撐點一旦確定，總存在一種分割方法可以使得每兩個支撐點之間的連線各有一塊局部內部區(qū)域和局部外部區(qū)域，且該局部內部區(qū)域和局部外部區(qū)域質量相等且相對于兩個支撐點之間的連線呈絕對的幾何對稱關系，即在本發(fā)明中所述二象限外支撐區(qū)2和二象限內支撐區(qū)13面積相等且相對于上支撐點3和左支撐點12之間的連線呈對稱關系，所述一象限外支撐區(qū)4和一象限內支撐區(qū)5面積相等且相對于上支撐點3和右支撐點6之間的連線呈對稱關系，所述四象限內支撐區(qū)7和四象限外支撐區(qū)8面積相等且相對于右支撐點6和下支撐點9之間的連線呈對稱關系，所述三象限外支撐區(qū)10和三象限內支撐區(qū)11面積相等且相對于下支撐點9和左支撐點12之間的連線呈對稱關系。其中原則一的作用機理是在于從整體上考慮，使得支撐點內部區(qū)域和外部區(qū)域之間相互補償，減少由于重力導致的整體面型畸變。原則二的作于機理是在于局部細節(jié)上的考慮，使得支撐點局部內部區(qū)域和局部外部區(qū)域之間相互補償，進一步的減少由于重力導致的局部面型畸變。根據(jù)所述基本原理和原則，確定了所述基本原理圖中展示的本發(fā)明的支撐點數(shù)量和布局位置關系。所述上支撐點3、右支撐點6、下支撐點9、左支撐點12分別位于所述光學元件1上四個邊的各邊中點。所述上支撐點3、右支撐點6、下支撐點9、左支撐點12之間的兩兩連線以及光學元件自身的邊界線將光學元件分解成為了所述二象限外支撐區(qū)2、一象限外支撐區(qū)4、一象限內支撐區(qū)5、四象限內支撐區(qū)7、四象限外支撐區(qū)8、三象限外支撐區(qū)10、三象限內支撐區(qū)11、二象限內支撐區(qū)13等八個均勻分布的區(qū)域。

如附圖2所示的實施方法示意圖，包括一個光學元件1、一個上支撐點3、一個右支撐點6、一個下支撐點9、一個左支撐點12、一個上支撐面14、一個右支撐面15、一個上偏支撐面16、一個下支撐面17、一個下偏支撐面18、一個下偏支撐點19、一個上偏支撐點20和一個左支撐面21。

本發(fā)明的基本原理：四個支撐點上支撐點3、右支撐點6、下支撐點9、左支撐點12相對于光學元件表面的布局位置關系已經確定。但是在實際的實施過程中所述支撐點不可能只是理論上的一個點，而是一個微小的平面。所以在實施過程中，所述上支撐面14為上支撐點3所對應的微小平面，所述右支撐面15為右支撐點6所對應的微小平面，所述上偏支撐面16為上偏支撐點20所對應的微小平面，所述下支撐面17為下支撐點9所對應的微小平面，所述下偏支撐面18為下偏支撐點19所對應的微小平面，所述左支撐面21為左支撐點12所對應的微小平面。根據(jù)三點確定一個平面的基本原理，所述支撐點3、右支撐點6、左支撐點12的位置一經確定那么所述光學元件1與之的接觸面也就隨之確定。由于所述支撐點3、右支撐點6、左支撐點12在z軸方向高度的偏差以及光學元件1自身的面型誤差的因素，有可能所述下支撐點9需要移動到所述下偏支撐點19所對應的位置才能與所述光學元件1的表面接觸，也有可能所述下支撐點9需要移動到所述上偏支撐點20所對應的位置才能與所述光學元件1的表面接觸。因此，為了保證所述下支撐點9與所述光學元件1能夠進行充分的接觸并發(fā)揮與所述支撐點3、右支撐點6、左支撐點12同等的支撐作用，所述下支撐點9具有沿著z軸方向連續(xù)微調的功能。另外，在理論上每一個支撐點與所述光學元件1的表面接觸的前提下，由于實際的加工誤差等原因，每一個支撐面不可能都與所述光學元件表面完全重合的接觸。因此，所述每一個支撐面上支撐面14、右支撐面15、下支撐面17、左支撐面21都具有繞x軸調節(jié)的功能和繞y軸調節(jié)的功能。

如附圖3所示的一種大徑厚比光學元件支撐系統(tǒng)示意圖，包括一個光學元件1、一個支撐模塊調節(jié)螺紋孔22、一個光學元件下表面23、一個底框凹槽面24、三個支撐模塊安裝螺紋孔25、四個支撐模塊26、一個彈性環(huán)27、一個底框下表面28、一個底框上表面29以及一個底框30。所述光學元件1為一個矩形薄板類透射元件。所述底框30為一個矩形環(huán)狀框體類零件，在其所說的底框上表面29上加工了一個所述底框凹槽面24。在所述底框凹槽面24上的四邊中點分別布置了一個螺紋孔，其中三個為所述支撐模塊安裝螺紋孔25，另外一個為所述支撐模塊調節(jié)螺紋孔22。所述彈性環(huán)27為一個三維復雜結構件。所述支撐模塊26為一個用于支撐所述光學元件1的裝配體。

如附圖4所示的一個支撐模塊示意圖，包括一個頂殼31、一個活動腔32、一個頂殼螺紋孔33、一個端桿34、一個二級螺釘壓緊面35、一個二級螺釘36、一個一級螺紋軸37、一個二級螺紋軸38、一個弧形頂面39以及一個頂殼接觸面40。所述頂殼31的上表面用于和所述光學元件1進行接觸安裝。所述頂殼31為一個中空且下部開口的塊體類零件，其內部腔體為所述活動腔32。所述活動腔32用于限制所述二級螺紋軸38和弧形頂面39在其內部的轉動。所述二級螺紋軸38和弧形頂面39通過螺紋旋入所述頂殼螺紋孔33并一直擰緊直到其脫離所述頂殼螺紋孔33進入所述活動腔32。所述弧形頂面39通過與所述頂殼接觸面40接觸安裝實現(xiàn)所述頂殼31相對于二級螺釘36的旋轉運動。

如附圖5所示的彈性環(huán)結構示意圖，包括四個轉折梁41、一個上環(huán)面42、一個上環(huán)梁43、一個下環(huán)梁44以及一個下環(huán)面45。所述上環(huán)梁43和下環(huán)梁44主要起到定形的作用。所述上環(huán)面42和下環(huán)面45主要起到接觸安裝的作用。所述四個轉折梁41為具有兩個直角轉角的彈性梁，用于建立所述上環(huán)梁43和下環(huán)梁44之間的彈性連接。隨著所述上環(huán)面42和下環(huán)面45之間的壓緊力的增大，其間的位移變化相對較小，可以實現(xiàn)對應位置處支撐模塊26相對于所述光學元件1法向方向位置的精密調節(jié)。

其整體連接關系如下：

在所述三個支撐模塊安裝螺紋孔25對應的位置，每一個支撐模塊26通過其自身的一級螺紋軸37與所述底框30的支撐模塊安裝螺紋孔25進行螺紋連接，所述二級螺釘壓緊面35與所述底框下表面28進行接觸安裝。在所述一個支撐模塊調節(jié)螺紋孔22對應的位置，一個支撐模塊26通過其自身的一級螺紋軸37與所述底框30的支撐模塊調節(jié)螺紋孔22進行螺紋連接，所述二級螺釘壓緊面35與所述下環(huán)面45進行接觸安裝。所述彈性環(huán)27套于所述一級螺紋軸37的外表面，并通過其自身的上環(huán)面42與所述底框下表面28進行接觸安裝。所述頂殼31通過所述頂殼螺紋孔和二級螺紋軸38之間的螺紋配合關系將所述二級螺紋軸38和弧形頂面39導入所述活動腔32。所述弧形頂面39與頂殼接觸面40進行點接觸安裝，實現(xiàn)所述頂殼31相對于二級螺釘36的兩個旋轉自由度的自適應調節(jié)。所述光學元件1通過其自身的光學元件下表面23與四個所述頂殼31的上表面進行接觸安裝。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。