一种用于反射式光栅安装的低温高稳定性支撑结构

1.本发明属于光学工程领域，涉及一种支撑结构，具体涉及一种用于反射式光栅安装的低温高稳定性支撑结构。


背景技术：

2.在光学工程领域，光机系统，尤其是红外光机系统对环境状态十分敏感，为了降低热背景辐射对系统的影响，通常需要对整个红外光机系统进行整体降温并进行辐射抑制和隔热处理，保证光学系统温度稳定性。低温光机系统由于受到剧烈波动的环境温度影响，结构组件以及光学组件会因各连接元件间的热膨胀系数不匹配造成挤压变形，产生热应力，导致光学元件发生刚体位移、光学表面面形变化等，甚至还会因结构组件不稳定造成光学系统破坏，严重影响系统正常运行，同时温度载荷产生的热辐射也会对光学系统的性能产生较大影响。
3.温度载荷波动影响下的高热稳定性和微应力支撑结构是保证光学系统正常工作的关键技术。
4.目前针对160k左右低温环境的反射式光栅低温支撑结构大多比较复杂、且无法很好控制光学元件面形变化，进而导致系统干涉条纹倾斜、弯曲，调制度降低，影响系统性能。


技术实现要素：

5.为了解决目前针对低温环境的反射式光栅低温支撑结构大多比较复杂、且无法很好控制光学元件面形变化，进而导致系统干涉条纹倾斜、弯曲，调制度降低，影响系统性能的问题，本发明提供了一种用于反射式光栅安装的低温高稳定性支撑结构。
6.本发明所提供的技术解决方案是：
7.提供一种用于反射光栅的低温高稳定性支撑结构，包括光栅压板、光栅基板、弹性压片以及球头柱塞；
8.光栅压板上开设安装槽；
9.安装槽的槽底设有至少三个第一定位凸台，至少三个第一定位凸台的顶面构成了光栅基板的沿光轴方向的安装基准面；安装槽的两个相邻槽壁上分别设有第二定位凸台和第三定位凸台；安装槽的另外两个槽壁上，且分别对应于第二定位凸台和第三定位凸台的位置嵌装有球头柱塞；
10.光栅基板安装于安装槽内，光栅基板的下表面均与至少三个第一定位凸台的顶面接触，光栅基板在两处球头柱塞的作用下，分别与第二定位凸台和第三定位凸台接触；
11.光栅基板的上表面中心设置有用于和反射光栅背部连接的第四凸台；
12.弹性压片至少为三个，弹性压片的一端与光栅压板的上表面固连，另一端与所述光栅基板的上表面接触，用于将光栅基板沿光轴方向的压紧。
13.进一步地，上述弹性压片由水平段和弯曲段构成；水平段通过螺钉与光栅压板连接，弯曲段伸入所述光栅基板与反射光栅之间的间隙后，与所述光栅基板的上表面接触，用
于将光栅基板沿光轴方向的压紧。
14.进一步地，上述弹性压片的材质为锰钢。
15.进一步地，上述光栅压板上表面还分别设有与外部光学系统对接时作为定位基准使用的第五凸台。
16.进一步地，上述球头柱塞通过螺纹旋合的连接方式嵌装于安装槽的两侧槽壁内，通过调整螺纹旋合圈数来控制球头柱塞提供给光栅基板的径向压紧预紧力。
17.进一步地，上述反射光栅前表面与光栅基板后表面平行度要求小于0.01mm，反射光栅侧面与光栅基板侧面平行度要求小于0.01mm；安装基准面的平面度要求小于0.01mm；所述安装基准面和第五凸台的顶面之间平行度满足0.01～0.02mm；所述第四凸台的顶面分别与第二定位凸台的顶面、第三定位凸台的顶面之间的垂直度要求为0.01～0.02mm。
18.进一步地，光栅基板通过第四定位凸台与光栅背部固定安装，并采用与反射光栅材料热膨胀系数相匹配的铟钢材料制作，从而可减小热应力以及应力分布不均的问题，提高反射光栅表面面形。
19.进一步地，所述安装槽的槽底中心开设有通孔，该通孔方便反射光栅装调时实时监测光栅状态。
20.进一步地，所述光栅压板采用外部光学系统材料热膨胀系数相匹配的铝合金制作。
21.本发明的有益效果是：
22.1、多级安装结构，减小温度载荷对光栅元件位置精度的影响
23.本发明针对反射光栅低温工作状态，设计了多级安装结构，采用与反射光栅材料热膨胀系数接近的铟钢材料制成光栅基板并通过第四凸台与反射光栅背部粘接固定，光栅基板通过弹性压片和球头柱塞与光栅压板连接，光栅压板通过螺钉与主体结构进行固定连接，保证元件位置精度的同时增加了主体结构与光栅元件的热阻，对温度载荷变化过程中的热通量进行了有效削减，减少热应力对系统的影响；
24.2、能够有效保证光栅表面面形精度
25.本发明采用柔性微应力支撑结构形式，反射光栅通过背部与光栅基板单点粘接固定，光栅基板在轴向采用弹性钢片压紧，径向采用球头柱塞定位，在保证支撑精度的同时将反射光栅与光栅压板结构进行了有效的隔离，温度载荷作用下的变形由柔性结构(即弹性压片和球头柱塞)吸收和缓冲，反射光栅本体几乎不受到随温度变化的作用力，有效的保证了光栅表面面形精度，实现系统的温度稳定性。
26.3、结构简单，安装调整方便，对装配工艺要求较低
27.光栅支撑结构简单，3个主体元件通过粘接和柔性压紧方式连接，反射光栅装调过程中可以通过通孔对光栅方位、俯仰角度进行实时监测，可通过柔性压紧状态、机械修切安装凸台的方式进行位置精度调整，简单、方便、快捷，装配精度较高，稳定性较强。
附图说明
28.图1为本发明的结构示意图；
29.图2为光栅压板结构示意图；
30.图3为光栅压板径向柔性压紧示意图；
31.图4为光栅压板轴向柔性压紧示意图；
32.图5为光栅基板结构示意图；
33.图6为弹性压片示意图；
34.图7为球头柱塞示意图；
35.附图标记如下：
[0036]1‑
反射光栅；
[0037]2‑
光栅基板、21
‑
第四凸台；
[0038]3‑
光栅压板、31
‑
安装槽、32
‑
第一定位凸台、33
‑
第二定位凸起、34
‑
第三定位凸台、35
‑
第五凸台；
[0039]4‑
球头柱塞；5
‑
锰钢弹性压片、51
‑
水平段、52
‑
弯曲段。
具体实施方式
[0040]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应当属于本发明的保护的范围。
[0041]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0042]
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0043]
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接：同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0044]
为解决低温状态下光栅支撑结构由于热膨胀系数不匹配造成的光栅面形以及位置精度变化问题的方法。本发明设计出一套微应力、高热稳定性的低温支撑结构，具有结构简单、加工安装方便的特点，有效提高低温光机系统热稳定性，提升系统低温光学性能。
[0045]
如图1和图2所示，本实施例提供了一种用于反射光栅的低温高稳定性支撑结构，包括光栅基板2、光栅压板3、球头柱塞4和弹性压片5，此处的低温是指160k的环境。
[0046]
如图1和3所示，光栅压板3设置有用于嵌入光栅基板2安装的安装槽31，光栅基板2嵌入光栅压板3安装，安装槽31的槽底设有至少三个用于z向定位的第一定位凸台32，至少三个第一定位凸台32形成z向安装基准面(图1中z向为光轴的方向)；本实施例中，安装槽为矩形，且第一定位凸台32为四个，分别设置在安装槽31槽底的四个对角上。
[0047]
如图1、3和4所示，安装槽31的两个相邻槽壁上分别设有用于x向定位的第二定位凸台33和用于y向定位的第三定位凸台34；安装槽的另外两个槽壁上，且分别对应与第二定
位凸台33和第三定位凸台34的位置嵌装有球头柱塞4。
[0048]
光栅基板2安装于安装槽31内时，光栅基板2的下表面与z向安装基准面接触，光栅基板2在两处球头柱塞4的作用下，分别与第二定位凸台33和第三定位凸台34接触，从而实现光栅基板2在x和y方向的定位。
[0049]
如图1和图6所示，光栅基板2的上表面中心设置有用于和反射光栅背部粘接的第四凸台21，反射光栅1背部与光栅基板2通过单点粘接固定，光栅基板2采用与反射光栅1材料热膨胀系数相匹配的铟钢材料制作，从而减小热应力以及应力分布不均的问题，提高光栅表面面形。
[0050]
弹性压片5至少为三个，弹性压片5的一端与光栅压板3的上表面固连，另一端与所述光栅基板2的上表面接触，用于将光栅基板2沿光轴方向的压紧，如图1和5所示，本实施例中弹性压片5为四个，且分别位于光栅基板2的四个角，光栅基板2安装至安装槽之后，z向通过分布在光栅基板2四个角的弹性压片5与z向安装基准面配合压紧定位。
[0051]
反射光栅1与该支撑结构的装配过程具体是：
[0052]
先将反射光栅1背部通过粘接的方式与光栅基板2的第四凸台21进行固定，避免了多点或大面积固定时因热膨胀系数不匹配造成的光栅面形变化。在保证反射光栅1前表面与光栅基板2后表面平行度以及反射光栅1侧边与光栅基板2侧边平行度后等待胶水固化；
[0053]
再将反射光栅1、光栅基板2作为整体，安装至安装槽内，通过两侧的球头柱塞与第二定位凸台、第三定位凸台的配合实现x，y方向的定位；
[0054]
接着，将安装弹性压板，通过弹性压板向光栅基板提供z向的预紧力，在弹性压板和z向安装基准面的作用下，实现z方向的定位；
[0055]
最后，通过第五凸台实现反射光栅与外部光学系统的对接。
[0056]
装配完成后光栅基板2与光栅压板3间的连接处于微应力夹持状态，在低温温度载荷作用下，柔性结构(球头柱塞4和弹性压片5)可以吸收和减弱不同元件间的热变形和热应力，保证光栅元件的低温结构稳定性；
[0057]
在以上结构的基础上，本实施例还做出了以下优化设计：
[0058]
1、光栅压板3上表面设置三个第五凸台35，作为光栅压板与外部光学系统连接定位，装调时通过实时监测反射光栅位置得到反射光栅与外部光学系统间相对位置偏差，可通过分别修切三个第五凸台的高度，改变光栅压板与外部光学系统之间的安装角度，进而达到调节光栅安装俯仰和方位的目的。
[0059]
2、为确保装配精度，加工、装配时须确保反射光栅前表面与光栅基板后表面平行度要求优于0.003mm，反射光栅侧面与光栅基板侧面平行度要求优于0.003mm。安装基准面平面度要求为0.001mm。再根据不同光学系统要求，安装基准面和第五凸台的顶面之间平行度满足0.01～0.02mm；第四凸台的顶面分别与第二定位凸台的顶面、第三定位凸台的顶面之间的垂直度要求为0.01～0.02mm，保证光栅安装完成后，其方位、俯仰角度满足光学系统设计要求。
[0060]
3、光栅压板3采用与外部连接的光学组件材料一致的铝合金材料，减小光栅组件与其他组件的相互影响，产生的热变形与热应力由微应力支撑结构减小和消除；
[0061]
4、如图5和图7所示，弹性压片5由水平段51和弯曲段52构成；水平段51通过螺钉与光栅压板3连接，弯曲段52与光栅基板2的上表面接触，用于将光栅基板2沿光轴方向的压
紧，弹性压片5的压紧预紧力通过调整弯曲段52的弯曲角度来控制。
[0062]
5、如图4所，球头柱塞4为螺纹旋合的连接方式嵌装于安装槽的两侧槽壁内，，用于将光栅基板2沿径向压紧，球头柱塞的预压缩量和弹性压紧预紧力通过调整螺纹旋合圈数来控制。
[0063]
本发明通过多种措施，可有效减少甚至消除反射光栅元件在低温温度载荷作用下承受的热应力和热应变，提高了光栅元件位置精度，减小光栅表面面形的变化，保证光机系统低温稳定性。