45°倾斜镜多自由度精调结构设计研究

　　0　引言

　　在光学系统中,经常使用45°倾斜镜对光路进行折转或分束,如在望远镜中的coude光路系统中采用2个或多个45°倾斜镜折转光路.在简单光路中,为了使装配出的产品性能最优化,设计时应当让机械零件和光学元件之间的调整环节最少.但对于复杂光学系统,机械零件和光学元件之间的简单连接很难使光路对准并满足公差要求,或者对机械加工和装调的要求相当苛刻.因此在满足光学设计要求的条件下,可以调整增加机械结构的复杂性,使光学元件可以微量调整,以便于装调和有效的光路对准[1].为了保证光路的稳定性,反射镜的支撑结构需要具有较高的一阶谐振频率.因此,设计者即需要控制支撑结构的准确度,同时又需要满足刚度设计要求[2].本文着重从结构方面对45°倾斜镜支撑结构进行研究和分析.

　　1　精调结构分析

　　在诸多应用中,精密调整是一个基本且极其重要的技术,为了使结果最优,需要将精调结构、应用参量和需求性能协调匹配.本文设计多自由度(Degree OfFreedom, DOF)精调机构在实现两维倾斜调整的同时,可以在相互垂直的光路方向平移,即可以在X、Y、α和β4个自由度微调,如图1.所以在完成反射镜的装卡后,其支撑结构应由即两维倾斜调整机构和两维平移机构组成.

　　1.1　两维倾斜机构选择

　　两维倾斜调整机构可分为串联和并联两类,各有优缺点.此处采用并联结构,从而使结构简化,而且在反射镜尺寸稍大的情况下由此带来的边界效应可以通过两维平移消除.

　　一般地,获得优于0.1μm的运动准确度是比较困难的.然而使用柔性单元,运动准确度可以提高.柔性单元是依靠材料自身的弹性实现其功能的结构.在精密机械设计中,主要考虑使用柔性单元作为约束单元,把柔性单元特定设计为一个弹簧集合就可以实现其约束的功能,利用机械原理可以决定柔性结构的力-位移特性.柔性单元由于分子之间的变形实现其运动,所以其两个主要特性是:运动平滑和运动范围小.此外,柔性元件可以消除由温度应力和装配应力产生的过约束和弹性不定位的矛盾[3].

　　另一种精调机构为半运动机构.根据接触点的数量等于被约束自由度的数量,运动约束包括两部分:其中一种可能的运动约束是:一个零件上有3个V型槽,另一个上有3个球/球的一部分.每个球与V型槽有2个接触点,这样设计可以使系统中包含相似的零件,因此具有热稳定性,如果施加预载荷可以获得高刚度.而且因为连接具有对称性,在垂直方向向中心施加载荷,各接触点具有相同的变形.另一种采用V型槽-圆锥-平面的基本结构形式,圆锥结构可为角度调节提供自然的支点,对于上端倾斜的支承结构非常适用.将圆锥块和V型槽设计在镜框的侧上方,承受大部分的重力载荷,还可以增加球头轴.此结构实际只有3个可移动的球头完成定位调整功能,第4个支承平面块的可移动球头起辅助支撑作用,为反射镜框提供平衡对称的支撑力,并且过约束可提高结构的刚性[4].