大尺寸变姿态楔形棱镜的柔顺支撑组件及其安装方法

本发明涉及棱镜的安装，具体涉及大尺寸变姿态楔形棱镜的柔顺支撑组件及其安装方法。

背景技术：

1、借助望远镜，人类超越肉眼观察的限制，探索星空，对浩瀚宇宙有了更深入的理解和认知。上世纪90年代以来，一批8～10米口径的地基光学望远镜的建成使用，以全新视角解密诸多关于宇宙起源及演化的问题。然而，大气色散对工作于宽波段的地基光学望远镜的观测性能有一定影响，尤其会显著影响针对暗弱天体的多目标宽波段光谱探测仪器获取观测数据。而利用由楔形棱镜构成的大气色散校正系统可以将不同波长下的图像组合重构，从而减轻大气色散效应，该系统对科学目标的探索观测意义重大，是完成天文观测科学任务不可或缺的组成。

2、自上世纪90年代开始，国际光学/红外天文观测进入广域巡天及局域精细观测时代，同时，引入自适应光学、拼接镜面等先进技术为观测工作服务。各国的地基光学望远镜已普遍进入10m级的大口径，例如美国1990年左右建成的10米口径的kecki&ii望远镜、欧洲南方天文台于1998年建成的4个8.2m的vlt(very large telescope)、日本1999年建成的直径8.2米的subaru可见/红外望远镜以及我国著名的郭守敬望远镜。大气色散及其补偿措施的有效性是地基大型光学望远镜增大口径、提升角分辨率面临的一大挑战。以楔形棱镜构成的大气色散校正系统，在地基大口径光学望远镜观测效能的实现上发挥着不可替代的关键作用，其具有一体化、高度集成、运动形式简单紧凑、可面向可见至近红外的宽波段色散校正需求的特点与优势。上述大口径地基光学望远镜，均不同程度考虑了大气色散对观测成像的影响，传统楔形棱镜构成的色散补偿系统，通常采用固定姿态实现对色散的补偿，而变姿态的楔形棱镜可进一步补偿因多种因素引入的像旋，使得后端科学仪器的使用更灵活，正在兴建的国际三十米望远镜以及欧洲南方天文台的极大望远镜，用于大气色散补偿的楔形棱镜尺寸接近1.5m，且呈现空间旋转变姿态的运动特性，传统的浮动支撑、多点径向支撑并不适用于该类大尺寸变姿态楔形棱镜，尤其是在楔形棱镜薄弱棱边沿重力方向朝下时，传统支撑方法难以实现良好的支撑效果。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有传统的浮动支撑、多点径向支撑难以实现对大尺寸变姿态楔形棱镜进行有效支撑的不足之处，而提供一种大尺寸变姿态楔形棱镜的柔顺支撑组件及其安装方法。

2、为实现上述目的，本发明提供的技术解决方案如下：

3、一种大尺寸变姿态楔形棱镜的柔顺支撑组件，其特殊之处在于：包括镜座以及至少三个柔顺机构；所述镜座包括环形镜框，楔形棱镜位于环形镜框内，且回转轴线与环形镜框的中心轴线重合；至少三个所述柔顺机构位于环形镜框与楔形棱镜之间，沿楔形棱镜的周向分布；所述柔顺机构包括弧形片以及沿径向依次连接在弧形片内侧的第一直梁、第一隔板、第二直梁和第二隔板；所述第一直梁和第二直梁均垂直于第一直梁与弧形片连接位置的切平面设置；第一隔板、第二隔板均与第一直梁、第二直梁垂直设置；所述第二隔板的内侧面与楔形棱镜的环形面相适配，并与楔形棱镜连接；所述弧形片的两端均设置凸台，通过凸台与环形镜框连接；第一直梁对应两端凸台之间的位置设置，且与弧形片连接。

4、进一步地，所述镜座还包括轴向限位组件，用于对楔形棱镜的轴向位置进行定位。

5、进一步地，所述轴向限位组件包括3n个第一压板和3m个第二压板，其中，n、m均为正整数，第一压板对应楔形棱镜的平面，且与其平行设置，一端与所述环形镜框连接，第二压板对应楔形棱镜的斜面，且与其平行设置，一端与环形镜框可拆卸连接；

6、所述第一压板和第二压板均与楔形棱镜相抵接，对其进行轴向限位。

7、进一步地，所述3n个第一压板和3m个第二压板分别沿环形镜框内侧的周向均布；

8、所述第二压板与楔形棱镜之间设置有轴向垫片，第二压板上开设螺纹孔，在螺纹孔中设置轴向保护杆，通过旋转轴向保护杆对轴向垫片产生预紧力；

9、所述第二压板与环形镜框通过螺纹连接。

10、进一步地，所述第一直梁沿轴向设置，位于弧形片沿周向的中心位置；

11、所述第二直梁沿周向设置，位于弧形片沿轴向的中心位置；

12、所述第二隔板远离第二直梁的一侧设置有零膨胀垫片，通过零膨胀垫片与楔形棱镜连接；

13、所述柔顺机构的数量为3l个，其中l为正整数；

14、所述环形镜框上设置有多个第一连接孔，所述弧形片两端的凸台分别与对应的第一连接孔通过螺纹连接。

15、进一步地，所述柔顺机构的数量为6个，6个柔顺机构关于楔形棱镜的对称轴线对称；

16、所述柔顺机构的尺寸满足以下关系：

17、且其中，p1、p2、p3分别为位于楔形棱镜对称轴线一侧的三个柔顺机构对应的第一连接孔沿环形镜框的轴向位置，其对应的楔形棱镜厚度依次增加；p4、p5、p6依次为位于楔形棱镜对称轴线一侧的三个柔顺机构与对称轴线的夹角，其对应的楔形棱镜厚度依次增加；

18、所述第一直梁、第一隔板、第二直梁和第二隔板的尺寸满足以下关系：p8、p10、p11、p12及p13的取值为1～6 mm；

19、p7取值小于等于15°，p9、p14的取值为p8、p10、p11、p12或p13取值的5～10倍；

20、其中，p7为弧形片对应圆心角的1/2，p8为弧形片的厚度，p9为弧形片的宽度，p10为第一直梁的宽度，p11为第一直梁的高度，p12为第二直梁的宽度，p13为第二直梁的高度，p14为第二直梁的长度。

21、进一步地，所述弧形片的凸台与环形镜框通过螺纹连接；

22、所述第二隔板和零膨胀垫片通过螺纹连接；

23、所述零膨胀垫片和楔形棱镜通过胶粘连接；

24、所述环形镜框外侧的周向设置有多个连接件，用于与外部仪器设备连接。本发明还提供一种上述大尺寸变姿态楔形棱镜的柔顺支撑组件的安装方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

25、步骤1，将镜座水平置于装调平台；

26、步骤2，将至少三个柔顺机构设置于环形镜框的对应位置，并与镜座固连；

27、步骤3，将楔形棱镜水平置于环形镜框中；

28、步骤4，将楔形棱镜与柔顺机构连接。

29、进一步地，步骤3中，楔形棱镜的平面与第一压板抵接；

30、步骤4之后还包括：

31、步骤5，连接第二压板，将轴向垫片置于楔形棱镜的斜面与第二压板之间，将轴向保护杆穿过第二压板并旋合，对轴向垫片施加轴向预紧力，完成装配。

32、进一步地，步骤2中，根据约束变量p1至p6设置柔顺机构的位置

33、步骤2还包括：将零膨胀垫片与柔顺机构的第二隔板通过螺钉固连；

34、步骤4具体为：楔形棱镜的环形面通过胶接的方式与零膨胀垫片固连，从而连接柔顺机构。

35、本发明的有益效果：

36、1.本发明设置了多个沿楔形棱镜周向分布的柔顺机构，进行多点布局，柔顺机构通过弧形片、第一直梁、第一隔板、第二直梁和第二隔板实现多方向柔度，在三维空间获取多个自由度，从而实现对大尺寸的楔形棱镜绕回转轴线多角度变姿态下的稳定支撑。

37、2.本发明镜座还设置了第一压板和第二压板，分别位于楔形棱镜的两侧，对楔形棱镜的轴向位置进行限位。

38、3.本发明在第二压板与楔形棱镜之间设置有轴向垫片，通过轴向保护杆对其提供预紧力，轴向保护杆及轴向垫片在不影响支撑效果的前提下实现对楔形棱镜的辅助保护。

39、4.本发明在第二隔板与楔形棱镜之间使用零膨胀垫片，一方面减小重力场下推拉力对楔形棱镜镜体的直接作用，另一方面实现与棱镜材料线胀系数的匹配，实现一种消热配合。

40、5.本发明中，第一压板、第二压板和柔顺机构的数量都优选3的倍数，有利于保证楔形棱镜的平面度。

41、6.本发明的支撑力作用位置通过p1-p6的多变量约束，为六处支撑力的空间作用位置提供了重要的参考，是大尺寸、变截面、重负载、变姿态的楔形棱镜稳定支撑的基础条件。

42、7.本发明通过p7-p14的多变量约束柔顺机构的尺寸，对柔顺结构各部分的尺寸进行匹配，更精确的匹配楔形棱镜质量分布与物理场耦合效应产生的残余机械应力。本发明通过多变量使得支撑组件能够对应匹配圆周的差异性特征设置，为棱镜在圆周方向回转变姿态提供匹配的支撑力，保证良好的光学表面面型精度。

43、8.本发明柔顺支撑组件通过特定的安装方法将其与楔形棱镜组合，最终得到具有多个自由度的柔顺支撑组件，为直径达到2m的楔形棱镜在圆周方向回转变姿态提供匹配的支撑力，保证良好的光学表面面型精度。