一种红外冷光学透镜柔性支撑结构及其装配方法

技术领域

本发明涉及一种光学透镜支撑结构，具体涉及一种红外冷光学透镜柔性支撑结构及其装配方法。

背景技术

高分辨高光谱载荷技术是面向高分载荷对地遥感测绘应用需求而开发的，重点用于获取宽谱段目标的光谱特性及其变化。为了满足对地遥感测绘的红外探测需求，达到高灵敏度、低噪音的应用要求，冷光学红外透射技术是必要手段。

对于冷光学技术红外透射系统而言，光学元件和支撑结构的加工与装配均是在常温下进行，而红外系统实际工作环境为100K，温度变化达173K，因光学元件与支撑结构材料不同，线胀系数和比热容等性能参数均不同，且这些性能参数随温度变化呈非线性变化。其中，因不同材料的线胀系数不同，光学元件与支撑结构在降温过程中的收缩量不同，进而引起光学元件的位置偏移，导致光学元件受温度变化产生变形甚至破坏，直接影响光谱仪的成像质量，如何克服因形变而影响成像质量的问题是研发设计中的关键性挑战。

为解决红外冷光学透镜因加工装配过程和实际工作环境温差大引起的光学元件剧烈变形问题，通常采用以下两种方案：

方案一：寻找与光学元件性能(即线胀系数)相似的材料制做支撑结构，减小相对变形，进而减小光学元件的受力。该方案中低温红外光学系统中光机结构遵循均一性原则，实现了无热化设计。但是，对于透射低温红外光学系统而言，光学元件为玻璃制品，支撑材料基本为金属，与光学元件性能相匹配的材料不易实现，还可能引发刚度过低、重量过大及成本过高等一系列问题，因此，光机结构很难实现该方案中的均一性。

方案二：在光学元件与支撑结构材料不同时，光学元件与支撑结构不固连，设计相对移动自由度，使透镜在轴向和径向均具有自由度，释放温度变化引起光学元件与支撑结构不同变形带来的巨大应力。这种方案为了保证光学要求对光学元件及支撑结构零件的加工精度要求高，同时也给装配过程带来了不便。

总之，以上两种方案均无法有效、便捷地解决低温红外透镜系统在巨大温差下，光学元件与支撑结构在降温过程中因收缩量不同而引起光学元件位置偏移，导致光学元件剧烈变形的问题。

发明内容

本发明的目的是解决现有低温红外透镜系统存在在巨大温差下，光学元件与支撑结构在降温过程中因收缩量不同而引起光学元件位置偏移，导致光学元件剧烈变形的技术问题，提供一种红外冷光学透镜柔性支撑结构及其装配方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：

一种红外冷光学透镜柔性支撑结构，其特殊之处在于：包括一体式柔性支撑单元和N个导向定位销；

柔性支撑单元包括刚性支撑环，连接于刚性支撑环外周上的法兰，N个均匀设置于刚性支撑环内周上的导向定位销孔结构，N个连接相邻导向定位销孔结构的第一柔性支撑臂；

每个导向定位销孔结构的定位销孔朝向待支撑红外冷光学透镜侧为开口状，N个导向定位销均插入定位销孔内且与待支撑红外冷光学透镜相切；

第一柔性支撑臂留有与待支撑红外冷光学透镜的注胶间隙；

法兰上沿圆周均布多个法兰连接孔，每个法兰连接孔周围设置有第二柔性支撑结构；

所述N≥3。

进一步地，为了保证连接可靠，还包括N个分别设置于每个第一柔性支撑臂中间的透镜粘接台，透镜粘接台留有与待支撑红外冷光学透镜的注胶间隙；

每个透镜粘接台中心开设有第一注胶孔，刚性支撑环上开设有N个分别与每个第一注胶孔连通的第二注胶孔。

进一步地，所述第二柔性支撑结构包括两个分别开设于法兰连接孔两侧的弧形通槽，每个弧形通槽的两端均向两侧延伸，形成两个弧形的第二柔性支撑臂，第二柔性支撑臂与待支撑红外冷光学透镜同心，相邻法兰连接孔的第二柔性支撑结构的通槽互不连通。

进一步地，所述透镜粘接台内侧为圆弧面。

进一步地，为了满足红外冷光学透镜对于柔性支撑结构的柔度与刚度要求，所述第一柔性支撑臂的厚度为0.5±0.1mm；所述第二柔性支撑臂的厚度为0.5±0.1mm。

进一步地，为了减小应力集中，每个第一柔性支撑臂分别与透镜粘接台和导向定位销孔结构的连接处均采用圆角过渡结构；每个第二柔性支撑结构的弧形通槽与其延伸段之间采用圆角过渡结构，延伸段的另一端采用圆角结构。

进一步地，为了减轻重量，所述刚性支撑环上开设有减重孔。

进一步地，为了满足刚度和韧性要求，所述一体式柔性支撑单元采用钛合金材料加工而成。

进一步地，为了方便安装红外冷光学透镜且便于柔性支撑结构加工，所述N＝4。

一种上述红外冷光学透镜柔性支撑结构的装配方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)将N个导向定位销均插入N个定位销孔中；

2)将红外冷光学透镜沿N个导向定位销置于刚性支撑环中心，通过注胶进行刚性支撑环与红外冷光学透镜的粘接；

3)将粘接好红外冷光学透镜的柔性支撑结构通过其法兰连接到待连接组件上，装配完成。

本发明相比现有技术具有的有益效果如下：

1、本发明提供的红外冷光学透镜柔性支撑结构及其装配方法，红外冷光学透镜通过第一柔性支撑臂粘接设置于柔性支撑结构上，直接释放透镜变形与热应力，每处法兰连接孔处布置第二柔性支撑结构，二次释放透镜变形与热应力，通过第一柔性支撑臂、第二柔性支撑结构和粘接处共三次柔性结构的应力释放，使光学元件(红外冷光学透镜)在温度大幅度变化过程中受到的支撑结构拉应力大幅减小。本发明通过柔性结构有效、便捷地解决了冷光学中低温红外光学系统，由于加工装配和实际工作环境温差大引起的光学元件剧烈变形问题。

2、本发明提供的红外冷光学透镜柔性支撑结构及其装配方法，红外冷光学透镜通过N个透镜粘接台粘接设置于柔性支撑结构上，其中N的数目，根据透镜尺寸可调整，均布即可，每处透镜粘接台设置于第一柔性支撑臂中间，直接释放透镜变形与热应力。

3、对于不同口径与重量的红外冷光学透镜，可以通过调节透镜粘接台数量、第一柔性支撑臂和第二柔性支撑臂的厚度和长度，来调整红外冷光学透镜柔性支撑结构的柔度与刚度，实现不同透镜的变形要求。

4、每个第一柔性支撑臂分别与透镜粘接台和导向定位销孔结构的连接处均采用圆角过渡结构；每个第二柔性支撑结构的弧形通槽与其延伸段之间采用圆角过渡结构，延伸段的另一端采用圆角结构，以减小柔性支撑臂处的应力集中，避免第一柔性支撑臂受力。

5、一体式柔性支撑单元采用钛合金材料制作，具有良好的刚度和韧性，便于实现柔性结构的加工。

6、柔性支撑结构直接与红外冷光学透镜粘接，减小了柔性支撑结构的加工难度和调试装配难度。

附图说明

图1为本发明红外冷光学透镜柔性支撑结构与待支撑红外冷光学透镜装配后的爆炸图；

图2为本发明红外冷光学透镜柔性支撑结构一体式柔性支撑单元的结构示意图；

图3为本发明红外冷光学透镜柔性支撑结构与待支撑红外冷光学透镜装配后的半剖图；

图4为本发明红外冷光学透镜柔性支撑结构第一柔性支撑臂处的结构示意图；

图5为本发明红外冷光学透镜柔性支撑结构第二柔性支撑臂处的结构示意图；

附图标记说明：

1-柔性支撑单元、11-刚性支撑环、12-法兰、121-法兰连接孔、122-第二柔性支撑结构、1221-第二柔性支撑臂、13-导向定位销孔结构、131-定位销孔、14-透镜粘接台、141-第一注胶孔、142-第二注胶孔15-第一柔性支撑臂、16-减重孔、2-导向定位销、3-红外冷光学透镜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例作进一步地说明。

一种红外冷光学透镜柔性支撑结构，如图1至3所示，包括一体式柔性支撑单元1和N个导向定位销2；柔性支撑单元1包括刚性支撑环11，连接于刚性支撑环11外周上的法兰12，N个均匀设置于刚性支撑环11内周上的导向定位销孔结构13，N个连接相邻导向定位销孔结构13的第一柔性支撑臂 15(挠性片)；N个所述导向定位销孔结构13上的定位销孔131均位于刚性支撑环11的同一径向位置处，每个定位销孔131朝向待支撑红外冷光学透镜3侧为开口状，N个导向定位销2均插入定位销孔131内且与待支撑红外冷光学透镜3相切(线接触，但受限于加工精度，可能不是完全的线接触)，即N个所述导向定位销孔结构13上的定位销孔131与N个导向定位销2配合用于为待支撑红外冷光学透镜3周向定位；第一柔性支撑臂15留有与待支撑红外冷光学透镜3的注胶间隙，用于周向配合待支撑红外冷光学透镜3；所述法兰 12上沿圆周均布6个呈60°夹角的法兰连接孔121，每个法兰连接孔121周围设置有第二柔性支撑结构122，第二柔性支撑结构122可以为通常的铰链臂结构，起到类似挠性片的缓冲作用；所述N≥3，根据透镜尺寸可调整，均布即可，此处优选N＝4，4个定位销孔131呈90°圆周均布。

上述结构是利用法兰12连接处柔性支撑结构和透镜粘接处柔性支撑结构 (第一柔性支撑臂1和胶连接处)的弯曲弹性变形，使得法兰连接孔121与第一柔性支撑臂15处能够产生微小径向位移，用于克服红外冷光学透镜3因温度变化引起的变形，削弱巨大温度变化过程红外冷光学透镜3与支撑结构因材料性能不同产生不同热收缩量带来的变形应力。

刚性支撑环11上还包括N个分别设置于每个第一柔性支撑臂15中间的透镜粘接台14，所述透镜粘接台14内侧为圆弧面，透镜粘接台14留有与待支撑红外冷光学透镜3的注胶间隙；每个透镜粘接台14中心开设有第一注胶孔141，刚性支撑环11上开设有N个分别与每个第一注胶孔141连通的第二注胶孔142。所述第二柔性支撑结构122包括两个分别开设于法兰连接孔121 两侧的弧形通槽，每个弧形通槽的两端均向两侧延伸，形成两个弧形的第二柔性支撑臂1221(挠性片)，第二柔性支撑臂1221与待支撑红外冷光学透镜 3同心，相邻法兰连接孔121的第二柔性支撑结构122的通槽互不连通。

如图4所示，每个第一柔性支撑臂15分别与透镜粘接台14和导向定位销孔结构13的连接处均采用圆角过渡结构，以减小第一柔性支撑臂15处的应力集中，避免第一柔性支撑臂15受力；如图5所示，每个第二柔性支撑结构122的弧形通槽与其延伸段之间采用圆角过渡结构，延伸段的另一端采用圆角结构，以减小第二柔性支撑臂1221处的应力集中；

优选所述第一柔性支撑臂15的厚度为0.5mm；所述第二柔性支撑臂1221 的厚度为0.5mm。实际设计中，通过设计调整透镜粘接处第一柔性支撑臂15 和外部连接处第二柔性支撑臂1221的厚度及圆弧长度来调节柔性支撑结构的柔度与镜组的整体刚度，为光学元件提供稳定性，减小甚至消除红外冷光学透镜3因温度变化引起的镜面变形，保证红外冷光学透镜3在温度变化及低温工况下的面形精度。

所述刚性支撑环11上开设有减重孔16。所述一体式柔性支撑单元1采用钛合金材料加工而成，硬度较大，易保证光学组件稳定性和同时易进行柔性结构设计；待支撑红外冷光学透镜3由玻璃(低温光学材料Ge)制作而成，具有一定厚度。

一种上述红外冷光学透镜柔性支撑结构的装配方法，包括以下步骤：

1)粘接前将N个导向定位销2均插入N个定位销孔131中；

2)将红外冷光学透镜3沿N个导向定位销2置于N个透镜粘接台14上，通过第一注胶孔141和第二注胶孔142注入低温胶、粘接、固化，进行红外冷光学透镜3粘接，此时，透镜粘接台14与红外冷光学透镜3间有胶层，透镜粘接处第一柔性支撑臂15对称布置在所述透镜粘接台14两侧，法兰连接孔121两侧对称布置第二柔性支撑臂122；

3)将粘接好红外冷光学透镜3的柔性支撑结构通过其法兰12连接到待连接组件上，装配完成。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。