用于光学器件的精确光学安装件的制作方法

在高倍率、衍射受限光学系统内对准和安装光学器件(诸如反射镜(mirror)、透镜、激光器、光纤、焦面阵列等)需要昂贵的制造过程和超精确安装技术。这主要是由于，根据光学系统的精度要求，各光学器件必须以英寸的百万分之几的精度被安装。使用各种对准机构，以确保光学系统的各种部件的准确对准。另外，各部件必须在无应变的条件下相对于电磁辐射(例如，光)的预期传播方向被精确定位。光学器件被支撑和定位的精度均在大的程度上影响光学系统的光学波前质量或精度。在部件的组装、对准、调整、校准或操作期间可能在系统中引起光学非对准(misalignment)。由于光学系统是从几个独特的部分组装的，因此，在光学部件与外壳部件之间的各个不完美的界面处，紧固机构和/或接合过程将引起一定的应力。

并且，光学器件和硬件一般在标准气氛温度和压力下被安装。由于热膨胀差，暴露于环境(特别是暴露于与军事应用相关的那些环境)可将热致应力引入到镜片(optic)和光学机械安装件(mount)两者中。

引入到光学元件上的应力的类型决定其光学表面的作为结果产生的畸变的类型。最导致光学劣化的应力之一是由弯曲镜片引起的应力。由于弯曲负荷而畸变的反射镜可特别劣化光学波前，原因是光从反射镜的表面反射出来。光从反射镜反射出来的行为遵守反射定律，即，反射角等于入射角。弯曲反射镜改变其表面轮廓，由此均沿着畸变轮廓干扰入射角和反射角两者。因此，反射镜表面的这种类型的物理改变导致视线“角加倍误差”以及光学波前的复杂畸变。

由于弯曲反射镜的轮廓畸变一般不均匀也不对称，因此，沿着跨反射镜的表面的每个方向，波前畸变也不对称。因此，弯曲反射镜一般在光学波前中产生像散。像散波前一般是马鞍状的，这意味着这种像差的校正还需要非圆形对称的光学表面，所述非圆形对称的光学表面是非常难以制造的。因此，特别是在全反射光学系统中，消除或者最小化反射镜的弯曲对于实现衍射受限的光学性能是关键的。

一种安装和对准光学器件(诸如望远镜的二次金属反射镜)的常用方法包括金刚石点加工镜片及其安装件两者的交界表面。一般地，一旦对准，就使用精确加工的运动紧固件(kinematic fastener)来将光学器件固定到外壳或其它安装结构，以使在紧固件、反射镜和安装件之间引起的螺栓应力最小化。虽然金刚石点加工的表面非常平，但它们不是完美的，因此，当它们之中的两个配合在一起时，得到的界面甚至较少是共面的，这典型地将一些弯曲引入到反射镜和安装件两者中。

运动硬件，诸如多对旋转垫圈，可用于紧固件和反射镜之间，也可用于反射镜与其安装件之间。从理论上讲，这种垫圈对可通过使用球形表面消除配合界面处的弯曲应力，这些球形表面“旋转(swivel)”以针对界面特征之间的任何角度非对准进行调整。虽然这种旋转能力补偿配合界面处的角度差异，但是在配合的旋转表面之间总是存在摩擦。尤其当连接紧固件被扭转以及摩擦力增加时，摩擦可妨碍完美的角对准。因此，这些垫圈的任何残留非对准可将紧固件预加载力耦合到反射镜和/或其安装件的弯曲中。来自运动硬件的预负载越高以及旋转垫圈中的角度非对准越大，组合地将更加大的弯曲力矩引入到反射镜中。在反射镜与其安装件之间利用旋转垫圈还增加这些位置关键部分之间的厚度和位置容许误差，这通常是非常不期望的。

除了实现“无应力”安装反射镜的挑战以外，还存在沿各方向/取向将镜片定位于英寸的百万分之几内以及在不同的环境上保持稳定性的艰巨任务。出于这些明显的原因以及许多其它较不明显的原因，这种机械附接方法的实现通常最终导致没对准的光学器件，从而导致系统的光学性能劣化。由于镜片和光学波前有无数机会劣化，因此审慎的方法是，不管最终安装的配置如何，都设计不损伤镜片的完整性的界面。

以前的尝试依赖于与金属反射镜的金刚石点加工的后侧配合并且通过运动硬件保持在一起的金刚石点加工的安装件(或载体)板的组合。然后通过使用超精确对准设备定位安装板，并且将安装板接合到位。在源自失败的对准处理或者后续暴露到恶劣的环境条件的不可接受的光学性能的情况下，该方法有利于反射镜的再次使用。运动学附着硬件的去除有利于去除和再次使用镜片，仅其所接合到的安装板和支撑部件用作牺牲物品。但是，金刚石点加工是昂贵的。另外，用于将反射镜固定到安装板的运动紧固件可能是复杂的。

附图说明

从结合附图给出的以下的详细描述，本发明的特征和优点将变得清晰，这些附图作为例子一起示出本发明的特征；并且其中：

图1是根据本发明的实施例的具有三个安装件的光学安装系统的等距视图。

图2是图1的光学安装系统的等距视图，该等距视图以分解的方式示出光学安装系统的部件中的一些，特别是其安装件中的一个。

图3是沿线3-3切取的图2的安装件的截面图。

图4是图2和图3的安装件的螺柱的等距视图。

图5是根据本发明的另一实施例的光学安装系统的安装件的截面图。

图6是根据本发明的实施例的光学安装系统的光学器件的对准方法的示意图。

现在将参照示出的示例性实施例，并且，这里将使用具体的语言来描述它。但应理解，不是要由此限制本发明的范围。

具体实施方式

这里，术语“基本上”指的是动作、特性、性能、状态、结构、项目或结果的完全或几乎完全的程度或进度。例如，“基本上”被包围的物体将指物体完全被包围或者几乎完全被包围。在一些情况下，偏离绝对的完全性的准确的允许程度依赖于特定的情境。但是，一般说来，接近完全性将具有与获得绝对和全然的完全性相同的总体结果。当以否定的含义使用以指动作、特性、性能、状态、结构、项目或结果的完全或几乎完全缺失时，“基本上”的使用同等地适用。

这里，“相邻”指的是两个结构或要素接近。特别地，识别为“相邻”的要素可邻接或者连接。这些要素也可相互接近或者靠近，未必相互接触。准确的接近程度在一些情况下可依赖于特定的情境。

以下提供技术实施例的初始概要，并且，在后面进一步详细描述特定的技术实施例。该初始概要是要帮助读者更迅速地理解技术，而不是要识别技术的关键特征或必要特征，也不是要限制要求保护的主题的范围。

公开了基本上最小化或者消除安装引发的力并且对于光学系统内的光学器件的超精确对准有利于多个程度的对准定位(即，平移和旋转)的光学器件安装件。在一个方面中，光学安装件包括具有限定内接合表面的孔(bore)并具有附着到光学器件的外部部分的套筒。螺柱至少部分地延伸穿过套筒的孔并具有外接合表面。螺柱包含与光学外壳配合的光学外壳界面。光学器件安装件还可包含沉积于由螺柱的外接合表面和套筒的内接合表面限定的空间的体积内的可固化材料。

公开了有利于光学器件的精确对准并且提供安装硬件的便宜的替换的安装系统。系统包括光学器件、外壳以及将光学器件耦合到外壳的多个光学器件安装件。多个光学器件安装件可包含三个安装件，每个安装件具有这里描述的特征。

进一步公开了对准和安装光学器件的方法。所述方法包括用多个光学器件安装件(例如，三个光学器件安装件)耦合光学器件与光学外壳。对于各个光学器件安装件，所述方法还可包括将螺柱附着到光学外壳。螺柱包含从光学外壳延伸的外接合表面。所述方法还可包括将套筒附着到光学器件。套筒包含限定内接合表面的孔。对于各个安装件，螺柱的外接合表面可通过套筒的孔被定位。然后，一旦所有的三个螺柱通过相应的套筒被定位，则光学器件可与期望的位置对准。可固化材料可然后沉积于由各螺柱的外接合表面和相应套筒的内接合表面限定的空间的体积内。

一般而言，本发明提供更加结构鲁棒的配置，同时不再需要安装板和反射镜背面两者上的昂贵的金刚石点加工。以前用于将反射镜固定到安装板的运动紧固件被更简单的硬件替代。

该改进的安装件利用多个(例如，一般为三个)独立的附着硬件组，但不再需要完美地将反射镜限制为与中间安装板共面。而是，这些附着硬件组仅在反射镜的固定耳件上引起压缩力而不引起弯曲，并且然后以自由的状态接合到固定于光学外壳的螺柱。因此，消除牺牲安装板消除了引起进入反射镜的弯曲力的约束。各单个附着硬件组内的套筒部件用作牺牲元件，并且制造起来明显比金刚石点加工的安装板便宜。

图1示出根据一个例子的光学安装系统100。系统100包含光学器件102、外壳104以及耦合光学器件102与外壳104的多个安装件106。光学器件102可以是金属反射镜、透镜、激光器、光源或可安装于结构上的其它放射线发射、传送、接收或反射器件中的一种。在本例子中，光学器件102是金属反射镜，诸如用于无人飞行器的望远镜中的抛光铝镜。光学器件102包含三个集成的耳件103。外壳104可以是可去除地附着到光学器件102的任何结构或部件。为了解释的目的，示出一般的外壳。在本例子中，多个安装件包含三个安装件106。但是，可以理解，可根据需要或期望对于系统使用任意数量的这种安装件。

图2示出图1的光学安装系统100，该光学安装系统100具有以分解的方式示出的下安装件106。图3是该安装件106的截面图。参照图2和图3，当被安装时，光学器件102至少部分地延伸穿过外壳104的接收开口124(参见图2)。

各安装件106包含延伸穿过光学器件102的相应耳件103的安装孔110的套筒108(图2)。套筒108包含限定内接合表面114的孔112(图3)。安装件106包含附着到光学外壳102并具有至少部分地延伸穿过套筒108的孔112的外接合表面118的螺柱116。紧固件120延伸穿过光学外壳104的孔122(图2)并且被紧固(例如，螺纹连接)到螺柱116(例如，通过螺柱16的中心钻孔(borehole)123(图3))。

安装件106还包含位于套筒108附近且在空间上处于套筒108与光学外壳104之间的垫圈126。垫圈126宽松地偏压套筒108并且位于螺柱116周围。垫圈126可包含诸如聚酯薄膜(mylar)、硅树脂(silicon)、橡胶或聚合物的柔性材料，以防止螺柱116的圆锥凸缘的面或外壳104与套筒108或光学器件102或保持环128之间的粘接(adhesive connection)。保持环128位于套筒108周围以辅助将套筒108安装到光学器件102。保持环128可以是被拧到套筒108上以将套筒108限制到光学器件102的带螺纹的或其它类型的环。

继续参照图3，可固化材料130沉积于由螺柱116的外接合表面118和套筒的内接合表面114限定的空间132的体积内。在将可固化材料130沉积到空间132的体积内的过程中(例如，在一个方面中，沉积的步骤可包含用注射器沉积环氧树脂)，垫圈126有利于在空间132的体积内保持可固化材料130并且防止可固化材料130与光学外壳104接触。这是有益的，原因在于，与已知的安装系统一样，它防止光学器件102与光学外壳104之间的不期望的轴向接合负载的可能的产生。因此，套筒108和螺柱116不直接相互接触，可固化材料130是将光学器件102直接附着到光学外壳104的唯一的部件/器件。通过该配置，光学器件102趋于相对于其光学外壳“浮动”，并且可因此通过使用精确对准设备被角度和平移地定位，并且通过由可固化材料130形成的接合以最小应力状态被固定。与已知的系统相比，这明显最小化或者消除从安装系统部件施加于光学器件102上的预加载的力(例如，轴向螺栓紧固力和弯曲力)。

在暴露于惯性力的过程中保持光学对准意指套筒108和配合的保持环128针对这样引起的负载和力矩限制光学器件102。这三个部件的配合界面处的圆锥特征可提供与这些圆锥的轴垂直的两个正交限制轴。与针对光学器件102的耳件103中的锪孔(countersink)配合的套筒108和保持环128一样，配合相对的部件对与圆锥界面沿圆锥的共轴提供第三限制轴。当圆锥形状的部件的这些组被组合使用时，诸如用于三个组的图案中时，它们添加针对绕圆锥特征的轴的旋转的限制，由此完全限制光学器件102。因此，在配合界面处利用多个圆锥特征可确保完全几何限制，而先前的螺栓平面接头只能依赖于不可预测的摩擦来在这些界面处提供针对剪切负载的限制。因此，通过利用由于“浮动的”可固化材料130而相互被定位去耦合的圆锥界面部件的组，光学器件102可被刚性限制而不被过度限制，即，不引起跨着其光学表面的弯曲。

在设计圆锥特征时，存在关于圆锥角优化的考虑。当圆锥表面配合并且沿圆锥轴被一起预加载时，(与套筒108和保持环128配合以夹着光学器件102的耳件103中的埋头孔(countersunk)一样)，沿着圆锥的配合表面以及与圆锥的配合表面垂直地产生力。通过更小的圆锥角，垂直力的作用线关于圆锥轴主要是径向的。因此，通过使用具有更小的圆锥角的部件施加的力在配合的表面上引起更大的径向应变。由于该设计的最终目的是以该器件的光学表面上的最小应变向光学器件102提供最大化的结构刚度，因此显然较大的圆锥角最小化在光学器件102的光学表面和耳件103两者上引起的应变的“径向印迹(radial footprint)”。但是，将该“印迹”概念外推到接近180度的圆锥角证明是不现实的，原因是垂直力摩擦力的径向分量现在接近零。因此，对于非常大的圆锥角，是圆锥接头中的摩擦而非几何形状实际主导接头的负载能力(与平面螺栓接头一样)。对于该特定应用，范围为82～120的各种圆锥角是可行的，但是100度的圆锥角提供各部件的负载能力的最佳组合，同时将引入到光学器件102的光学表面上的应变最小化到非常可接受的极限。

更详细地参照图3，螺柱116包含可与光学外壳104的相应圆锥表面140配合的光学外壳界面，诸如环形圆锥部分138(例如，凸缘)(对于圆锥部分138，也参见图4)。套筒108还包含可与光学器件102的耳件103的相应圆锥表面136配合(例如，以螺纹的方式)的环形圆锥部分134(例如，凸缘)。类似地，保持环128包含可与光学器件102的相应圆锥表面144配合的环形圆锥部分142(图2)。因此，耳件103的安装孔110是孔的两侧的埋头孔，使得保持环128的圆锥部分142和套筒108的圆锥部分134趋于夹着光学器件102的安装孔110。为了这个目的，保持环128是拧到套筒108上并且被加扭矩以将套筒108固定到光学器件102的六角螺母。

参照与图3所示的那个类似的示例性光学器件，执行有限元结构分析，以预测当被其安装孔夹着时在示例性光学器件(金属反射镜)上自引发的畸变。所述分析模拟了源自套筒上的保持环的扭转的300磅的轴向负载。这两个部件上的凸缘针对安装孔的锪孔表面产生压力负载。该加载条件被同时应用于光学器件的所有三个安装接头片。在本例子中重量为0.39磅的器件的所有三个接头片上的300磅夹紧负载代表超过2300G的预负载能力(即，器件的重量的2300倍)。分析的最坏情况结果预测了：在3.0英寸直径镜片的整个光学面上，器件的光学表面变形达峰间7.0微英寸，或者1.3微英寸RMS。设计要求是光学面上的表面周期的1.74微英寸每0.34英寸，即，峰间约15微英寸。因此，所述分析预测了可从器件的光学表面高度去耦合非常明显的预加载力的非常结构鲁棒的设计。

以下将详细讨论安装和对准方法步骤。

继续参照图3，特别有利的是，上述的环形圆锥界面部分和表面趋于抵抗施加于套筒108、螺柱16和光学外壳104的各部件上的平移剪切力和弯曲力矩两者，以在光学器件102的使用过程中提供结构鲁棒的接头。与已知的系统相比，这种特征与耦合光学外壳104与光学器件102的可固化材料114的配置协作，以基本最小化或者消除施加于光学器件102上的“自变形”力。

在一个方面中，套筒108、螺柱116和光学器件102可由相同类型的金属构成，所述金属为诸如具有一定的热膨胀系数(CTE)的6061铝。可固化材料130也可具有与套筒108、螺柱116和光学器件102的CTE相同或基本上相近的CTE。因此，在热变化中，光学器件102不经受或者经受非常少的外力(特别是可引起跨着器件的弯曲力矩的轴向力)，原因是光学器件102将根据其CTE以与套筒108和螺柱116甚至可固化材料130的CTE匹配材料相同的速率膨胀和收缩。值得注意的是，在一个方面中，套筒108、螺柱116、可固化材料130和光学器件102的耳件103可包含环形或圆柱形状，使得在热变化中部件沿径向并且以相同或者基本上相同的速率膨胀和收缩。

参照图3和图4所示的特定螺柱116，螺柱116包含通过远端148的开口146。在螺柱116的外接合表面118中形成与开口146流体连通的多个通道150。在当前讨论的实施例中，可固化材料130沉积(例如，通过注射器)于开口146中并且使得通过通道150流入到空间132的体积(图3)中。通道150的配置帮助确保可固化材料130均匀分布到空间132的体积中以使螺柱116附着到套筒108。这种配置还确保螺柱116与套筒108之间的接合接头的均匀负载能力。通道150被示出为通过螺柱116的中心部分形成并且与开口146流体连通的槽，但是通道150可以是任意类型的类似的开口或者通过螺柱116的开口。螺柱116可包含用于在通过使用紧固件120(图3)将其安装于外壳104时固定螺柱116的六角头152。

图5示出可以是以上讨论的系统100的安装件的安装件206的另一例子。在本例子中，螺柱216的远端248是实体螺栓端(与上述的开放螺柱116相对)。该螺柱设计容纳诸如螺旋线的外部特征的添加，以替代纯粹圆柱轮廓。如果期望的话，外部特征可提供负载能力的定制，诸如通过螺旋线轮廓的添加促成的额外的剪切负载能力。通过光学器件102的耳件103定位的套筒208可包含用于接收分配的可固化材料230的开口205。与图2和图3的套筒类似，可固化材料230占据由螺柱216的外接合表面218和套筒208的内接合表面214限定的空间232的体积。可固化材料230可通过套筒208的开口205被分配，或者它可通过由套筒208的孔212限定的开口被沉积。因此，光学器件102和光学外壳104仅通过可固化材料230被固定或耦合。安装件206可具有与参照图3讨论的特征相同或类似的特征中的许多个，诸如紧固件120、保持环128、垫圈126和以上讨论的相同的圆锥部分和相应的圆锥表面。

图6示出根据本发明的例子的用于对准光学器件的方法300的示意图。一般地，所述方法包括诸如通过使用参照图2～4的例子和图5的例子公开的安装部件和方法对准和安装光学器件302。为了解释的目的，参照图2～4的例子讨论以下的方法步骤。

具体参照图2和图3并且继续参照图6，所述方法包括通过光学外壳104的孔122用紧固件120将三个螺柱116固定到光学外壳104。三个套筒108通过光学器件102/302的耳件103的相应的孔110被插入。保持环128然后被定位于各套筒108周围并且被紧固。因此，套筒108现在被固定到光学器件102/302。三个垫圈126然后可被定位于相应的螺柱116上。套筒108然后关于三个相应的螺柱116被定位，使得各螺柱116的外接合表面118通过各套筒108的孔112被定位以限制空间132的体积(图3)。

光学器件102/302然后与期望的位置对准。在一个例子中，可通过利用干涉计(未示出)并使用所示出的两个或更多个光线314观察主光学器件312来对准光学器件102/302。根据光学系统的特定几何形状(geometry)，往复镜片(即，平坦或者角立方反射镜)可位于被对准的光学器件102/302的下游。往复镜片将从干涉计输出的已两次穿过光学系统的准直光返回到该仪器。与由干涉计发射的几乎完美的面波前相比，返回光学波前的讯问(interrogation)使得能够洞察用于最小化波前误差(即，最佳图像)的光学器件102/302的最适当的定位。在可固化材料130沉积于三个安装系统106的螺柱116中的每一个中之前，例如，为了相对于主光学器件312精确地对准光学器件102/302与期望的位置，光学器件102/302可沿六个自由度(即，沿x-y-z轴，并且以俯仰、偏转和滚动自由度)移动。因此，光学器件102/302趋于在操作员(和/或机器)精确地将光学器件102/302对准到期望的位置时相对于光学外壳104“浮动”。一旦被适当地对准，在可固化材料130沉积于空间132的各体积中并且被允许固化时，光学器件102/302就可通过夹持在空间上被牢固地保持。

如上面讨论的那样，沉积可固化材料130包含通过各螺柱116的开口146沉积(例如，插入)它。可固化材料130然后通过各螺柱116的通道150均匀地流向各套筒108的内接合表面114，以占据各安装系统106的空间132的体积。可固化材料130的固化用于使光学器件102/302和光学外壳104彼此附着或耦合。参照图5的例子，相同或类似的步骤和原理成立，这里，螺柱216是端部的实体部件，并且，可固化材料通过空间232的体积沉积于套筒208与螺柱216的外接合表面218之间。

由于螺柱和套筒由诸如例如机加工铝的相对便宜的材料构成，因此光学器件102/302在损伤和/或非对准的情况下可被容易地去除以及被替换或重新对准。在这种情况下，再次参照图3，通过首先从各螺柱116去除紧固件120中的每一个，从外壳104去除螺柱116。螺柱116保持与套筒108接合，使得整个光学器件102可与外壳104分离。从套筒108去除保持环128，然后从光学器件102去除套筒108以及接合的螺柱116和垫圈126。安装的硬件(即，螺柱、垫圈和套筒)现在可被舍弃并且以便宜的方式被替换。现在能够以上述的方式对准和安装光学器件(不管是新的还是经过修理的)。与已知方法相比，由于替换所公开的安装硬件更快速且更便宜，因此，安装硬件的处置和光学器件的重新对准的这些过程是高度有利的。

应当理解，公开的本发明的实施例不限于这里公开的特定结构、处理步骤或材料，而是要包括本领域技术人员会识别的其等同物。还应理解，在使用这里采用的术语时，其目的仅是为了描述特定实施例，不是为了限制。

在整个说明书中，提到“一个实施例”或“实施例”意指关于实施例描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书的各处出现短语“在一个实施例中”或“在实施例中”未必均指的是同一实施例。

这里，为了方便，可能在共同的列表中给出多个项目、结构要素、成分要素和/或材料。但是，虽然列表的各成员被单独识别，但这些列表应被解释为单独和唯一的成员。因此，在没有相反指示的情况下，在这些列表中没有单个成员应基于它们在共同的组中出现而被实际上解释为同一列表的任何其它成员的实际上的等同。另外，可能在这里与其各种部件的替代方案一起提到本发明的各种实施例和例子。应当理解，这些实施例、例子和替代方案实际上不应被解释为彼此的实际上的等同，而应被视为本发明的单独和自发的表现。

并且，可在一个或更多个实施例中以任何适当的方式组合描述的特征、结构或特性。在描述时，提供许多特定的细节，诸如长度、宽度、形状等的例子，以提供本发明的实施例的彻底理解。但是，本领域技术人员可以理解，可在没有特定细节中的一个或更多个的情况下或通过其它方法、部件、材料等实施本发明。在其它情况下，为了避免混淆本发明的多个方面，不详细示出或描述公知的结构、材料或动作。

虽然以上的例子在一个或更多个特定应用中解释本发明的原理，但本领域技术人员可以理解，在无需锻炼创造力的情况下以及在不背离本发明的原理和概念的情况下可提出实现的形式、用途和细节的许多修改。因此，除了由所附的权利要求限定以外，本发明不被限定。