一种大口径传输反射镜柔性支撑结构

技术领域

本发明涉及精密光机领域，特别是一种大口径传输反射镜柔性支撑结构。

背景技术

传输反射镜(Transport mirror)是ICF装置靶场中的关键光学元件，其面形精度和结构稳定性将直接影响传高功率激光光束的传输质量和指向精度。传输反射镜具有大口径、非圆口径(矩形)、质量大、変方位、面形精度和结构稳定性要求高等特点。受限于传输反射镜的制造工艺和成本，通过合理的支撑方法和光机结构设计来提高传输反射镜得支撑性能已成为提升传输反射镜性能的重要手段。目前，国内外的ICF装置主要采用了基于过盈配合(胀紧结构)的三点背支撑和基于螺钉压紧的周圈多点支撑两种方式。两种支撑方式均为被动支撑结构，不具备对传输反射镜重力变形进行补偿和校正能力；两种支撑方式均为刚性支撑结构，易导致传输反射镜的结构变形和稳定对温度波动、振动与冲击等环境条件较为敏感；此外，对于镜面朝下的传输反射镜，两种支撑方式主要通过连接面的摩擦来平衡镜体的自重，导致镜体承受较大的夹持力，造成镜面产生较大的附加变形，而且摩擦力的不确定性及难以精确测量将对支撑结构的装调工艺和效率、质量一致性造成不利影响。

ICF装置靶场的传输反射镜中，倾斜放置的传输反射镜对提升靶场光束质量和指向精度最为关键，具有自重变形大且难以控制等特点，其支撑设计在靶场传输反射环境中最具代表性，也是靶场传输反射镜支撑设计的一项关键工作。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种大口径传输反射镜柔性支撑结构，用于ICF装置靶场中倾斜或水平放置的大口径矩形传输反射镜的支撑结构设计。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种大口径传输反射镜柔性支撑结构，包括镜框、面型校正组件、第一支撑组件、第二支撑组件和第三支撑组件，所述镜框为内部空腔的结构，反射镜置于镜框内，通过面型校正组件、第一支撑组件、第二支撑组件和第三支撑组件将反射镜支撑在镜框内，反射镜为矩形结构，反射镜的四个侧边均通过一个第一支撑组件、第二支撑组件和第三支撑组件支撑在镜框上，所述面型校正组件支撑在反射镜的顶部与镜框之间。具体的，所述反射镜为矩形口径，反射镜的镜面朝下并倾斜放置，反射镜的侧面开设有环状矩形切槽。

具体的，所述面型校正组件设置有多个且均布设置，所述面型校正组件包括校正柔铰、第一垫片和第一连接板，所述校正柔铰固定在第一连接板上，所述第一连接板固定在镜框上，所述第一垫片固定在校正柔铰上，第一垫片与反射镜顶面接触。

具体的，所述第一支撑组件包括第二连接板、周向柔铰、第一法向柔铰和第二垫片，所述周向柔铰和第一法向柔铰均固定在第二连接板，所述周向柔铰和第一法向柔铰上均设置一个第二垫片，所述第二连接板固定在镜框上，所述周向柔铰上的第二垫片与环状矩形切槽的槽底边贴合，所述第一法向柔铰上设置的第二垫片与环状矩形切槽的上槽侧边贴合。

具体的，所述第三支撑组件与第一支撑组件为对称结构。

具体的，所述第二支撑组件包括第三连接板、第二法向柔铰和第三垫片，所述第二法向柔铰固定在第三连接板上，所述第三垫片固定在第二法向柔铰上，所述第三垫片与环状矩形切槽的上槽侧边贴合。

具体的，所述周向柔铰、第一法向柔铰、第二法向柔铰和校正柔铰均包括转动机构、驱动机构和姿态补偿机构，所述转动机构、驱动机构和姿态补偿机构均与柔铰块连接，所述姿态补偿机构为基于圆弧切槽的串联双轴柔性机构，姿态补偿机构与反射镜接触提供两维角度变形，确保与所述反射镜对应表面保持良好接触；所述转动机构为基于圆弧切槽的单轴柔性机构，用于利用机构的转动角度转变为整个柔铰端部的位移输出；驱动机构为基于菱形切槽的单轴柔性机构。

具体的，所述的第一连接板、第二连接板和第三连接板上均螺纹连接有调节螺钉，所述调节螺钉的一端抵在对应的驱动机构上，驱动机构将调节螺钉的拧紧力矩转变为对转动机构的转矩。

本发明具有以下优点：

1、本发明的周圈多点支撑方法利用反射镜和支撑结构接触面处的法向力平衡反射镜自重以实现反射镜的支撑，避免支撑结构对反射镜施加额外的夹持力，有利于减小夹持力引入的附加镜面变形；

2、本发明的周圈支撑方法采用了全柔性浮动支撑结构方案，能够对反射镜与支撑结构的接触力进行调节，从而对支撑力的分布进行控制和优化，以进一步改善和提高支撑结构性能。

3、本发明的支撑方法采用半主动支撑方式，通过面形校正组件可以对反射镜施加校正力，从而对反射镜的重力变形进行补偿，进一步提高镜面面形质量。

4、与现有的基于螺钉压紧的周圈多点支撑方案相比，本发明的支撑方案支撑点数较少，有利于降低支撑组件的装配难度，提升装配效率和工艺一致性。

5、本发明中的柔性支撑结构在提供反射镜定位、支撑和面形校正能力的同时，确保反射镜与支撑结构在装调过程中保持无相对滑动的接触状态，以效减小反射镜与支撑结构接触面处摩擦力对支撑性能带来的不利影响，而且利用柔性机构的弹性变形能够对温度波动、振动和冲击等因素导致的反射镜结构变形进行抑制，同时有效减小反射镜位置和姿态变化，从而提升支撑结构的稳定性。

6、较之于已有的背支撑方式，支撑结构位于镜面通光口径之外，能够有效减少光线散射，降低散射光线造成光学元件和结构件损伤、光学表面污染的风险；而且，同时具备一定的背部透光能力以便于光束质量的在线诊断与监测。

附图说明

图1为本发明的大口径传输反射镜柔性支撑结构示意图；

图2为本发明的移除镜框后的大口径传输反射镜柔性支撑结构示意图；

图3为本发明的第一支撑组件结构示意图；

图4为本发明的第一支撑组件背部结构示意图；

图5为本发明的第三支撑组件结构示意图；

图6为本发明的第三支撑组件背部结构示意图；

图7为本发明的第二支撑组件结构示意图；

图8为本发明的面型校正组件结构示意图；

图9为本发明的校正柔铰、周向柔铰输出力计算模型示意图；

图10为本发明的法向柔铰输出力计算模型示意图；

图11为本发明的反射镜结构及支撑原理示意图；

图12为图11中A处放大结构示意图；

图13为本发明的校正柔铰和周向柔铰结构示意图；

图14为本发明的第一法向柔铰的第二法向柔铰结构示意图；

图中：1-反射镜，103-环状矩形切槽，2-面型校正组件，3-第一支撑组件，4-第二支撑组件，5-第三支撑组件，6-镜框，7-第二垫片，8-调节螺钉，9-校正柔铰，10-周向柔铰，11-第一法向柔铰，12-第二连接板，13-第三垫片，14-第二法向柔铰，15-第三连接板，16-第一连接板，17-第一垫片，18-转动机构，19-驱动机构，20-姿态补偿机构，21-柔铰块，22-柔性块。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”，“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程，方法，物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程，方法，物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程，方法，物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1～14所示，一种大口径传输反射镜柔性支撑结构，包括镜框6、面型校正组件2、第一支撑组件3、第二支撑组件4和第三支撑组件5，所述镜框6为内部空腔的结构，反射镜1置于镜框6内，通过面型校正组件2、第一支撑组件3、第二支撑组件4和第三支撑组件5将反射镜1支撑在镜框6内，反射镜1为矩形结构，反射镜1的四个侧边均通过一个第一支撑组件3、第二支撑组件4和第三支撑组件5支撑在镜框6上，所述面型校正组件2支撑在反射镜1的顶部与镜框6之间。反射镜1相对的两边设置的第一支撑组件3、第二支撑组件4和第三支撑组件5对称设置，本实施中面型校正组件2设置有四个，分别设置在反射镜1的四个角上对四个角进行支撑，本发明利用反射镜1中环状矩形切槽103的切槽表面，分别在反射镜1的周向和法向通过离散点的方式施加法向位移约束104，以实现反射镜的约束和定位；其中，周向切槽表面S1处的法向位移约束用于反射镜1沿垂直于切槽表面S1方向的移动自由度和所有转动自由度，法向切槽表面S2处的法向位移约束用于约束反射镜1沿垂直于切槽表面S2法向的移动自由度；周向切槽表面S1处的法向位移约束由第一支撑组件3和第三支撑组件5的周向柔铰10提供，法向切槽表面S2处的法向位移约束由第一支撑组件3和第三支撑组件5的第一法向柔铰11以及第二支撑组件4上的第二法向柔铰14提供；面型校正组件2的校正柔铰9能够对反射镜1沿垂直于反射镜1顶面的负法线方向的移动自由度提供约束；校正柔铰9、周向柔铰10、第一法向柔铰11和第二法向柔铰14均柔性机构，利用其弹性变形特性，可以对反射镜1中各约束点处的约束力和支撑力进行适当的控制，进而共同完成反射镜的定位、支撑及面形校正；其中，柔铰中的转动机构和驱动机构能够将调节螺钉8的输入位移和扭矩转换为柔铰的输出力，进而对各约束点处的约束力和支撑力进行调节；姿态补偿机构具有一定的两维角度运动能力，能够顺应反射镜1姿态的变化，消除反射镜1与垫片接触面间的间隙，确保二者接触良好，以减小局部应力；所述与校正柔铰9和周向柔铰10端部输出力F1、第一法向柔铰11和第二法向柔铰14端部输出力F2与调节螺钉拧紧力矩T的定量关系(忽略垫片7与反射镜1接触面间的摩擦)分别为

式中，L1为所述校正柔铰8和周向柔铰10中所述驱动机构和转动机构沿竖直方向的距离，L2为所述第一法向柔铰11和第二法向柔铰14中所述姿态补偿机构20和所述转动机构沿水平方向的距离，K1为所述转动机构的转动刚度，K2为所述驱动机构的移动刚度，λ、φ分别为所述调节螺钉8的螺纹升角和当量摩擦角，p、n为调节螺钉8的螺距和拧动的圈数。进一步的，所述反射镜1为矩形口径，反射镜1的镜面朝下并倾斜放置，在反射镜1厚度的侧面开设有环状矩形切槽103，环状矩形切槽103绕反射镜1一周设置，其位置尺寸h和形状尺寸w、d根据力学计算得到。

进一步的，所述面型校正组件2设置有多个且均布设置，所述面型校正组件2包括校正柔铰9、第一垫片17和第一连接板16，所述校正柔铰9固定在第一连接板16上，所述第一连接板固定16在镜框6上，所述第一垫片17固定在校正柔铰9上，第一垫片17与反射镜1顶面接触。第一垫片17通过孔轴配合方式与校正柔铰9的输出端部连接，通过第一垫片17与反射镜1的顶面103通过直接接触方式连接，校正柔铰9可以通过螺栓连接在第一连接板16上，然后将第一连接板16通过螺栓固定在镜框6上；所述校正柔铰9为柔性机构，用于限制反射镜1沿顶面103方向的移动，并对反射镜1施加一定的校正力以补偿反射镜1的重力变形；所述校正柔铰9输出的校正力由调节螺钉8控制。

进一步的，所述第一支撑组件3包括第二连接板12、周向柔铰10、第一法向柔铰11和第二垫片7，所述周向柔铰10和第一法向柔铰11均固定在第二连接板12，所述周向柔铰10和第一法向柔铰11上均设置一个第二垫片7，所述第二连接板12固定在镜框6上，所述周向柔铰10上的第二垫片7与环状矩形切槽103的槽底边贴合，所述第一法向柔铰11上设置的第二垫片7与环状矩形切槽103的上槽侧边贴合。第二垫片7通过孔轴配合方式与周向柔铰10和第一法向柔铰11的端部连接，所述周向柔铰10通过第二垫片7与环状矩形切槽103中表面S1连接，用于反射镜1的周向定位和支撑；所述第一法向柔铰11通过第二垫片7与环状矩形切槽103中表面S2连接，用于反射镜1的法向定位和支撑；所述的周向柔铰10、第一法向柔铰11均为柔性机构，能够提供可调节的支撑力，进而改善支撑力的分布状态，以减小反射镜1的变形，提高反射镜1空间位置与方位的安装精度；所述周向柔铰10、第一法向柔铰11输出的支撑力由调节螺钉8控制。

进一步的，所述第三支撑组件5与第一支撑组件3为对称结构。第三支撑组件5与第一支撑组件3的组成部件相同，不同之处在于周向柔铰10和第一法向柔铰11连接在第二连接板12的位置不同，周向柔铰10和第一法向柔铰11均并列安装在第二连接板12上，第三支撑组件5与第一支撑组件3中周向柔铰10和第一法向柔铰11安装时的左右顺序不同，在使用时，反射镜1同一边的第二支撑组件4设置在第一支撑组件3和第三支撑组件5之间，这样第三支撑组件5与第一支撑组件3的周向柔铰10和第一法向柔铰11也分别关于第二支撑组件4对称设置。

进一步的，所述第二支撑组件4包括第三连接板15、第二法向柔铰14和第三垫片13，所述第二法向柔铰14固定在第三连接板15上，所述第三垫片13固定在第二法向柔铰14上，所述第三垫片13与环状矩形切槽103的上槽侧边贴合。第三垫片13通过孔轴配合方式与第二法向柔铰14的端部连接。

进一步的，所述周向柔铰10、第一法向柔铰11、第二法向柔铰14和校正柔铰9均包括转动机构18、驱动机构19和姿态补偿机构20，所述转动机构18、驱动机构19和姿态补偿机构20均与柔铰块21连接，所述姿态补偿机构20为基于圆弧切槽的串联双轴柔性机构，姿态补偿机构20与反射镜1接触提供两维角度变形，确保与所述反射镜1对应表面保持良好接触；所述转动机构18为基于圆弧切槽的单轴柔性机构，用于利用机构的转动角度转变为整个柔铰端部的位移输出；驱动机构19为基于菱形切槽的单轴柔性机构。校正柔铰9、周向柔铰10中的驱动机构与姿态补偿机构20的中心轴线重合，以避免驱动力在垫片处产生附加弯矩影响接触效果，第一法向柔铰11和第二法向柔铰14的驱动机构与姿态补偿机构20中心轴线垂直，如图13所示为校正柔铰9和周向柔铰10中的转动机构18、驱动机构19和姿态补偿机构20分布结构示意，如图14所示为第一法向柔铰11和第二法向柔铰14中的转动机构18、驱动机构19和姿态补偿机构20分布结构示意；转动机构18为基于圆弧切槽的单轴柔性机构，如图13和图14所示，柔铰块21为L形，在柔铰块21的一端相邻两侧边开设平行的两个圆弧切槽形成单轴柔性机构，两个圆弧切槽之间形成薄壁，切割出一部分连接块通过薄壁与柔铰块21连接，这样就形成了转动机构18，各个柔铰的连接板通过螺栓与连接块连接；姿态补偿机构20为在柔铰块21的另一端在相对的两侧边均开设两个分别平行的圆弧切槽形成串联双轴柔性机构，姿态补偿机构20中的相邻两侧边开设的圆弧切槽的轴线垂直，形成两个垂直的薄壁；驱动机构19为在L形柔铰块21的拐角处开设菱形切槽，菱形切槽内切割出一个菱形的框架结构的柔性块22，柔性块22与柔铰块21为一体的结构，转动机构18、驱动机构19、姿态补偿机构20具体的切槽参数根据力学分析和计算确定。

进一步的，所述的第一连接板16、第二连接板12和第三连接板15上均螺纹连接有调节螺钉8，所述调节螺钉8的一端抵在对应的驱动机构19上，驱动机构19将调节螺钉8的拧紧力矩转变为对转动机构18的转矩。具体的，调节螺钉8的一端抵在菱形切槽内的柔性块上。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述所述技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术对以上实施例所做的任何改动修改、等同变化及修饰，均属于本技术方案的保护范围。