CN112068277A - 大口径光学透镜的多级柔性支撑结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大口径光学透镜的多级柔性支撑结构，所述多级柔性支撑结构包括镜座、多个铟钢支撑垫以及多个柔性支撑单元，所述铟钢支撑垫均匀设置于所述镜座并连接于所述大口径光学透镜；各所述柔性支撑单元连接于对应的所述铟钢支撑垫和所述镜座，各所述柔性支撑单元包括径向柔性支撑单元和连接于所述径向柔性支撑单元的轴向柔性支撑单元，所述径向柔性支撑单元和所述轴向柔性支撑单元相互配合以在四个方向的刚度上约束所述大口径光学透镜在空间的六个自由度，所述径向支撑单元用于补偿因透镜材料与镜座材料热膨胀系数差异性所产生的热应力，所述轴向柔性支撑单元用于补偿因镜座结构变形和加工误差所引入的应力。

Description

大口径光学透镜的多级柔性支撑结构

技术领域

本发明涉及地基大型光学望远镜结构技术领域，特别是涉及一种大口径光学透镜的多级柔性支撑结构。

背景技术

为了满足大规模时域巡天、银河系测量、暗物质和暗能量探测、太阳系外行星搜索等需求，国内外已建造了多台主焦点形式的大视场望远镜，如日本天文台8.2m昴星团望远镜(Subaru)、在4米望远镜Mayall上的宽视场暗能量光谱仪(DESI)、8.4米口径的大视场望远镜LSST、兴隆观测基地2.16米望远镜等等。为了实现大相对孔径和大视场，上述望远镜的一个主要特点是主焦点位置处采用了口径非常大的光学透镜，如LSST中最大透镜口径为1.6米。

为了实现大视场望远镜预期的探测能力及测量精度，需要保证大视场望远镜的主焦点处光学透镜的位置精度及镜面面形精度。对于大口径光学透镜来说，其位置精度和镜面面形精度由其支撑结构来保证，然而，同时满足位置精度和面形精度要求的支撑结构设计难度非常大，原因在于以下三个方面：

(1)为了避免光学遮拦，即为了确保大口径光学透镜的视场，支撑结构仅能够被设置在大口径光学透镜的边缘位置，由于支撑接触面较小，导致大口径光学透镜受力状态恶劣，当光轴竖直状态时，受大口径光学透镜的重力影响，大口径光学透镜中心弯沉变形较大，将直接影响透镜相对位置精度；

(2)同样为了避免光学遮拦，大口径光学透镜的镜座仅能设计为一个圆环形结构，且其内外圆被严格限定在一个狭窄的尺寸范围内。在有限的空间范围内，圆环形镜座的刚度设计是一个难点，而且大口径光学透镜的镜面面形精度受镜框刚度影响较大；

(3)在纳米级面形精度要求下，大口径光学透镜的镜面支撑应力尤其是热应力非常敏感。由于透镜材料与镜框结构材料热胀系数很难完全一致，且各个透镜材料热胀系数差异较大，这造成了大口径光学透镜和支撑结构之间必然产生热应力。为了减小这部分温度应力，要求大口径光学透镜的支撑结构在热变形方向上设计足够的柔度，这又与高刚度支撑结构之间相互矛盾，结构刚度与柔度的折中是一个难点。

在现有技术中，对于目前的光学透镜，采用的支撑方法主要为压圈方式，即直接将透镜安装在镜座内，镜面一侧贴合在镜座端面上，另一侧用压圈压紧。这种压圈的方式结构简单、装配容易，广泛应用于小型透镜支撑结构。然而，由于透镜整体贴合在镜座上，受镜座加工误差以及结构变形影响较大，即使细微的加工误差或结构变形也会导致镜面面形精度显著下降。此外，由于透镜材料与镜座材料必然存在热胀系数的差异，这种压圈方式受温度影响显著。因此，这种方式很难应用在大口径光学透镜上。

发明内容

基于此，本发明的一目的是，提供一种大口径光学透镜的多级柔性支撑结构，所述多级柔性支撑结构具有多级应力补偿功能，能够分别补偿因透镜材料与镜座材料热膨胀系数差异性所产生的温度应力，和补偿因镜座结构变形和加工误差所引入的应力，因而具有良好的支撑性能，能够同时满足所述大口径光学透镜的位置精度和镜面面形精度的需要；而且所述多级柔性支撑结构的结构简单，便于拆装，能够方便结构的后期维护、降低镜座设计和加工难度、以及大幅度降低材料成本。

一种多级柔性支撑结构，适于支撑大口径光学透镜，包括：

镜座；

多个铟钢支撑垫，所述铟钢支撑垫均匀设置于所述镜座并连接于所述大口径光学透镜；以及

多个柔性支撑单元，各所述柔性支撑单元连接于对应的所述铟钢支撑垫和所述镜座，各所述柔性支撑单元包括径向柔性支撑单元和连接于所述径向柔性支撑单元的轴向柔性支撑单元，所述径向柔性支撑单元连接于所述铟钢支撑垫，所述轴向柔性支撑单元连接于所述镜座，所述径向柔性支撑单元和所述轴向柔性支撑单元相互配合，以在四个方向的刚度上约束所述大口径光学透镜在空间的六个自由度，所述径向支撑单元被设置用于补偿因透镜材料与镜座材料热膨胀系数差异性所产生的热应力，所述轴向柔性支撑单元被设置用于补偿因镜座结构变形和加工误差所引入的应力。

在本发明的一实施例中，所述径向柔性支撑单元的刚度包括在相互垂直的两个方向的径向刚度Kr和切向刚度Kt；所述轴向柔性支撑单元的刚度包括在相互垂直的两个方向的轴向刚度Ka和法向刚度Kn，所述轴向刚度Ka用于约束所述大口径光学透镜沿z轴方向的移动自由度dz、x轴方向的转动自由度RotX、以及y轴方向的转动自由度RotY；所述径向刚度Kr、所述切向刚度Kt以及所述法向刚度Kn则分别用于约束z轴方向的转动自由度RotZ、x轴方向的移动自由度dx以及y轴方向的移动自由度dy。

在本发明的一实施例中，所述径向柔性支撑单元具有第一柔性薄片、连接于所述第一柔性薄片的两端的两第一连接件以及连接于所述第一柔性薄片中部的第二连接件，两所述第一连接件通过螺钉被固定连接于所述铟钢支撑垫，所述第二连接件通过螺钉被固定连接于所述轴向柔性支撑单元。

在本发明的一实施例中，所述径向柔性支撑单元分别通过螺钉连接于所述铟钢支撑垫和所述轴向柔性支撑单元时，所述第一柔性薄片等效为两端固支的超静定薄梁，设所述第一柔性薄片的长度为l1，所述径向柔性支撑单元的径向刚度Kr和切向刚度Kt分别表示为：

其中E为材料弹性模量，A为所述第一柔性薄片的横截面面积，I为截面惯性矩。

在本发明的一实施例中，所述轴向柔性支撑单元具有基座和延伸自所述基座的凸台，所述凸台具有两安装槽并于两安装槽之间形成中间连接部，各所述安装槽被设置有第二柔性薄片，所述轴向柔性支撑单元的所述基座通过螺钉固定连接于所述镜座的台阶端面，所述中间连接部连接于所述径向柔性支撑单元的所述第二连接件。

在本发明的一实施例中，所述第二柔性薄片具有顶层柔性薄片和延伸于所述顶层柔性薄片的底层柔性薄片，设所述第二柔性薄片的底层柔性薄片和所述中间连接部之间的总长度为l₂，所述第二柔性薄片的顶层柔性薄片和所述中间连接部的总长度为l₃，所述中间连接部的长度为l₄，所述轴向柔性支撑单元的轴向刚度Ka表示为：

其中E为材料弹性模量，I为截面惯性矩。

在本发明的一实施例中，所述铟钢支撑垫具有第一侧面和与所述第一侧面相对的第二侧面，所述第一侧面被设置为圆柱面，所述圆柱面的直径与所述大口径光学透镜的镜体外圆直径相同，以供所述铟钢支撑垫通过所述第一侧面与所述大口径光学透镜相粘接，所述铟钢支撑垫于所述第二侧面被设置有多个螺纹孔，以供所述铟钢支撑垫通过螺钉连接于所述柔性支撑单元。

在本发明的一实施例中，所述镜座为圆环形镜座，并被设置由金属材料制成。

在本发明的一实施例中，所述镜座被所述镜座被设置有多个定位孔、多个操作孔以及多个加强筋，所述定位孔对应于相应的所述操作孔的位置被设置。

本发明在另一方面还提供了一种大口径光学透镜，包括所述多级柔性支撑结构。

本发明的所述多级柔性支撑结构能够同时满足所述大口径光学透镜的位置精度和面形精度的要求，具体地，所述多级柔性支撑结构采用在所述大口径光学透镜的边缘粘接多个与所述大口径光学透镜的材料热胀系数完全一致的所述铟钢支撑垫的方式，和通过所述径向柔性支撑单元和所述轴向柔性支撑单元将这些离散的所述铟钢支撑垫连接在所述大口径光学透镜的所述镜座上的方式，形成具有多级应力补偿功能的所述多级柔性支撑结构，所述多级柔性支撑结构充分利用了局部柔度大，整体刚度大的特点，即单个所述柔性支撑单元的柔度非常大，各个所述柔性支撑单元与所述铟钢支撑垫、所述镜座构成的所述多级柔性支撑结构整体刚度非常大，使得所述多级柔性支撑结构具有多级应力补偿功能，其中所述径向柔性支撑单元能够补偿因所述大口径光学透镜的材料与所述镜座的材料热胀系数差异性所产生的温度应力，所述轴向柔性支撑单元能够补偿因镜座结构变形和加工误差所引入的应力，以此所述多级柔性支撑结构能够克服材料热胀系数差异和温度对所述大口径光学透镜的影响，从而能够确保所述大口径光学透镜的位置精度和镜面面形精度。

本发明的所述多级柔性支撑结构的所述径向柔性支撑单元和所述轴向柔性支撑单元相互配合，以在四个方向的刚度上约束所述大口径光学透镜在空间的六个自由度，以有利于提高所述多级柔性支撑结构和所述大口径光学透镜之间连接的稳定性，从而确保所述大口径光学透镜的位置精度和镜面面形精度。

本发明的所述多级柔性支撑结构包括所述铟钢支撑垫、所述柔性支撑单元以及所述镜座，其中仅有所述铟钢支撑垫与所述大口径光学透镜的边缘粘接在一起，所述铟钢支撑垫、所述柔性支撑单元以及所述镜座均通过螺钉相互连接，以此所述多级柔性支撑结构的结构简单，便于被拆卸，即所述多级柔性支撑结构便于与所述大口径光学透镜分离，能够方便后期的维护，降低所述镜座的设计和加工难度以及能够大幅度降低材料成本，具有较高的应用价值和创新性。

通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。

附图说明

图1为根据本发明的上述优选实施例的所述多级柔性支撑结构的原理示意图。

图2为根据本发明的上述优选实施例的所述多级柔性支撑结构的原理示意图。

图3为根据本发明的上述优选实施例的所述多级柔性支撑结构的对镜座变形的适应性的示意图。

图4为根据本发明的上述优选实施例的所述多级柔性支撑结构的对镜座变形的适应性的示意图。

图5为根据本发明的上述优选实施例的所述多级柔性支撑结构的立体图。

图6为根据本发明的上述优选实施例的所述多级柔性支撑结构的镜座的结构示意图。

图7为根据本发明的上述优选实施例的所述多级柔性支撑结构的铟钢支撑垫的结构示意图。

图8为根据本发明的上述优选实施例的所述多级柔性支撑结构的柔性支撑单元的结构示意图。

图9为根据本发明的上述优选实施例的所述多级柔性支撑结构的径向柔性支撑单元的结构示意图。

图10为根据本发明的上述优选实施例的所述多级柔性支撑结构的径向柔性支撑单元的结构示意图。

图11为根据本发明的上述优选实施例的所述多级柔性支撑结构的轴向柔性支撑单元的结构示意图。

图12为根据本发明的上述优选实施例的所述多级柔性支撑结构的轴向柔性支撑单元的结构示意图。

附图标号说明：大口径光学透镜200；多级柔性支撑结构100；镜座10；台阶端面101；操作孔11；定位孔12；加强筋13；铟钢支撑垫20；第一侧面21；第二侧面22；螺纹孔220；柔性支撑单元30；径向柔性支撑单元31；第一柔性薄片311；第一连接件312；第二连接件313；轴向柔性支撑单元32；基座321；凸台322；安装槽3220；中间连接部3221；第二柔性薄片323。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、形变方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“竖向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，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，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图12所示，根据本发明的一优选实施例的多级柔性支撑结构100的具体结构被阐明。如图1至图12所示，所述多级柔性支撑结构100适于支撑大口径光学透镜200并包括镜座10、多个铟钢支撑垫20以及多个柔性支撑单元30，所述铟钢支撑垫20均匀设置于所述镜座10并连接于所述大口径光学透镜200；各所述柔性支撑单元30连接于对应的所述铟钢支撑垫20和所述镜座10，各所述柔性支撑单元30包括径向柔性支撑单元31和连接于所述径向柔性支撑单元31的轴向柔性支撑单元32，所述径向柔性支撑单元31连接于所述铟钢支撑垫20，所述轴向柔性支撑单元32连接于所述镜座10，所述径向柔性支撑单元31和所述轴向柔性支撑单元32相互配合，以在四个方向的刚度上约束所述大口径光学透镜200在空间的六个自由度，所述径向支撑单元被设置用于补偿因透镜材料与镜座材料热膨胀系数差异性所产生的热应力，所述轴向柔性支撑单元32被设置用于补偿因镜座结构变形和加工误差所引入的应力，如此，所述多级柔性支撑结构100具有良好的支撑性能，能够同时满足所述大口径光学透镜200的位置精度和镜面面形精度的要求。

如图1至图4所示，本发明的所述多级柔性支撑结构100的支撑原理被示意。可以理解的是，本发明通过在所述大口径光学透镜200的边缘粘接若干个与所述大口径光学透镜200的透镜材料热胀系数完全一致的铟钢支撑垫20，然后分别利用所述径向柔性支撑单元31和所述轴向柔性支撑单元32将这些离散的所述铟钢支撑垫20与所述镜座10连接在一起，以构成具有多级应力补偿功能的所述多级柔性支撑结构100。

具体地，如图1和图2所示，所述径向柔性支撑单元31的刚度可以简化为相互垂直的两个方向，分别为径向刚度Kr和切向刚度Kt，同样地，所述轴向柔性支撑单元32的刚度可以简化为相互垂直的两个方向，分别为轴向刚度Ka和法向刚度Kn。所述柔性支撑单元30四个方向的刚度可以完全约束所述大口径光学透镜200在空间的六个自由度，分别为：所述轴向刚度Ka用于约束所述大口径光学透镜200沿z轴方向的移动自由度dz、x轴方向的转动自由度RotX以及y轴方向的转动自由度和RotY；所述径向刚度Kr，所述切向刚度Kt以及所述法向刚度Kn则分别用于约束z轴方向的转动自由度RotZ、x轴方向的移动自由度dx以及y轴方向的移动自由度dy。

从原理上看，多个所述柔性支撑单元30使所述大口径光学透镜200处于过约束状态。为了使所述大口径光学透镜200在过约束状态下达到最好面形精度，在所述多级柔性支撑结构100设计时应尽最大努力保证所述大口径光学透镜200的各个所述铟钢支撑垫20的位置受载均匀，即各个所述铟钢支撑垫20的位置所受的轴向支撑力和径向支撑力应分别保持一致。当所述镜座10为刚体或变形无限小时，各个所述铟钢支撑垫20的支撑力均匀性很容易保证。然而，由于结构空间限制，所述镜座10仅能为一个圆环形结构，结构刚度非常有限，这就要求所述多级柔性支撑结构100对所述镜座10的变形具有一定的适应能力。针对上述问题，本发明提供了一种具有多级应力补偿功能的所述多级柔性支撑结构100，旨在解决所述镜座10有限刚度情况/材料热胀系数存在差异情况下，所述大口径光学透镜200的高精度支撑问题。

如图3和图4所示，本发明的所述多级柔性支撑结构100具有一定的克服热变形和结构变形的能力，即当所述镜座10出现热变形、弹性变形或因加工而产生的偏差时，由于所述多级柔性支撑结构100的所述柔性支撑单元30的缓冲作用，可以有效减轻支撑应力对所述大口径光学透镜200的镜面面形精度的影响。另外，由于所述镜座10仅通过所述柔性支撑单元30与粘接在所述大口径光学透镜200边缘的所述铟钢支撑垫20相互作用，这样可以使因变形产生的不均匀支撑应力限制在各个离散的所述铟钢支撑垫20周围的局部区域，而不会对整个所述大口径光学透镜200产生全局影响。

具体地，如图3所示，当所述镜座10和所述大口径光学透镜200材料的热胀系数不一致时，例如在所述大口径光学透镜200热变形大于所述镜座10变形时，将会产生热应力作用于各个离散的所述铟钢支撑垫20上，此时的热应力主要与所述径向刚度Kr有关。由于本发明的所述多级柔性支撑结构100的所述径向刚度Kr非常小，相应的热应力也非常小，这使得所述多级柔性支撑结构100具有一定温度适应性；即所述多级柔性支撑结构100能够补偿因透镜材料和镜座材料热膨胀系数差异性所产生的热应力，从而能够确保所述大口径光学透镜200的位置精度和镜面面形精度。

如图4所示，当所述镜座10的结构存在加工误差或结构变形时，作用在各个所述铟钢支撑垫20上的轴向支撑力将会存在一定的差异，由于所述轴向刚度Ka也有限，所以产生的不均匀轴向支撑力的差异也有限，这同样使得所述多级柔性支撑结构100具有一定的适应结构变形的能力，即所述多级柔性支撑结构100能够补偿因镜座结构变形和加工误差所引入的应力。

基于上面所叙述的所述大口径光学透镜200的所述多级柔性支撑结构100的原理，所述多级柔性支撑结构100的具体结构实现如图5所示，在本发明的这一优选实施例中，所述多级柔性支撑结构100包括12个所述铟钢支撑垫20，即在本发明的这一优选实施例中使用12个所述铟钢支撑垫20为例对所述多级柔性支撑结构100的具体结构进行详细说明，在本发明的一些实施例中，所述多级柔性支撑结构100可以包括其他数量的所述铟钢支撑垫20，本发明对所述铟钢支撑垫20的数量不作限制。具体地，在本发明的这一优选实施例中，所述多级柔性支撑结构100由所述镜座10、12个所述铟钢支撑垫20和12个所述柔性支撑单元30构成，其中各所述柔性支撑单元30包括所述径向和所述轴向柔性支撑单元32，所述镜座10设置有所述大口径光学透镜200，即所述镜座10为所述多级柔性支撑结构100的基础，其中所述铟钢支撑垫20均匀分布在所述镜座10周边并粘接于所述大口径光学透镜200的边缘，所述柔性支撑单元30通过螺钉连接在所述镜座10的台阶端面101，并通过螺钉与对应的所述铟钢支撑垫20相连接。

可以理解的是，所述多级柔性支撑结构100包括所述镜座10、所述铟钢支撑垫20以及所述柔性支撑单元30，结构简单，而且仅有所述铟钢支撑垫20与所述大口径光学透镜200的边缘粘接在一起，所述铟钢支撑垫20、所述柔性支撑单元30以及所述镜座10均通过螺钉相互连接，以此所述多级柔性支撑结构100便于与所述大口径光学透镜200分离，能够方便后期的维护和降低所述镜座10的设计和加工难度，而且有利于大幅度降低材料成本。

进一步地，如图6所示，本发明的所述多级柔性支撑结构100的所述镜座10的具体结构被阐明，所述镜座10被设置为一个薄壁圆环形金属结构件，即所述镜座10被设置为圆环形结构并被设置由金属材料制成，所述镜座10的圆环外表面设置有多个加强筋13以提高结构刚度，所述镜座10的下端面为所述镜座10与其他结构的连接接口，所述镜座10的所述台阶端面101用于连接所述柔性支撑单元30，所述镜座10侧面被设置有多个操作孔11和对应于所述操作孔11的定位孔12，其中所述定位孔12为所述大口径光学透镜200的定位工装孔，所述操作孔11为所述铟钢支撑垫20与所述大口径光学透镜200粘接操作的操作孔11。

如图7所示，所述多级柔性支撑结构100的所述铟钢支撑垫20的具体结构被阐明，所述铟钢支撑垫20具有具有第一侧面21和与所述第一侧面21相对的第二侧面22，所述第一侧面21被设置为圆柱面，所述圆柱面的直径与所述大口径光学透镜200的镜体外圆直径相同，以供所述铟钢支撑垫20通过所述第一侧面21与所述大口径光学透镜200相粘接，所述铟钢支撑垫20于所述第二侧面22被设置有多个螺纹孔220，以供所述铟钢支撑垫20通过螺钉连接于所述柔性支撑单元30。特别地，所述铟钢支撑垫20被设置采用铟钢材料制成，热胀系数与所述大口径光学透镜200的镜体材料接近，以有利于减小所述多级柔性支撑结构100和所述大口径光学透镜200之间热胀系数差异，从而减小所述多级柔性支撑结构100和所述大口径光学透镜200之间的热应力，以确保所述大口径光学透镜200的位置精度和镜面面形精度。

如图8所示，所述多级柔性支撑结构100的所述柔性支撑单元30的结构被具体阐明，所述柔性支撑单元30包括所述径向柔性支撑单元31和所述轴向柔性支撑单元32，所述径向柔性支撑单元31和所述轴向柔性支撑单元32通过螺钉连接在一起。所述柔性支撑单元30整体底部通过螺钉连接在所述镜座10的所述镜座10台阶面上，上部通过螺钉与粘接在所述大口径光学透镜200边缘处的所述铟钢支撑垫20相连。

如图9和图10所示，所述径向柔性支撑单元31具有第一柔性薄片311、连接于所述第一柔性薄片311的两端的两第一连接件312以及连接于所述第一柔性薄片311中部的第二连接件313，两所述第一连接件312通过螺钉被固定连接于所述铟钢支撑垫20，所述第二连接件313通过螺钉被固定连接于所述轴向柔性支撑单元32。

所述径向柔性支撑单元31的关键部分为所述第一柔性薄片311，其中所述第一柔性薄片311为一个柔性细长薄片，所述第一柔性薄片311通过电火花线切割加工细长狭槽形成。所述径向柔性支撑单元31分别通过螺钉连接于所述铟钢支撑垫20和所述轴向柔性支撑单元32时，所述第一柔性薄片311等效为两端固支的超静定薄梁，设所述第一柔性薄片311的长度为l1，所述径向柔性支撑单元31的径向刚度Kr和切向刚度Kt分别表示为：

其中E为材料弹性模量，A为所述第一柔性薄片311的横截面面积，I为截面惯性矩。在所述径向柔性支撑单元31中，与所述径向刚度Kr相比，所述切向刚度Kt非常大，这使得所述径向刚度Kr在适应热变形上起主要作用，所述切向刚度Kt主要用于限制所述大口径光学透镜200的横向即在垂直于光轴平面内的刚体运动。

如图11和图12所示，所述轴向柔性支撑单元32具有基座321和延伸自所述基座321的凸台322，所述凸台322具有两安装槽3220并于两安装槽3220之间形成中间连接部3221，各所述安装槽3220被设置有第二柔性薄片323，所述轴向柔性支撑单元32的所述基座321通过螺钉固定连接于所述镜座10的所述台阶端面101，所述中间连接部3221连接于所述径向柔性支撑单元31的所述第二连接件313。

所述轴向柔性支撑单元32的关键部分为所述第二柔性薄片323，所述第二柔性薄片323为上下两层柔性薄片，同样通过电火花线切割加工形成。所述第二柔性薄片323具有顶层柔性薄片和延伸于所述顶层柔性薄片的底层柔性薄片，设所述第二柔性薄片323的底层柔性薄片和所述中间连接部3221之间的总长度为l₂，所述第二柔性薄片323的顶层柔性薄片和所述中间连接部3221的总长度为l₃，所述中间连接部3221的长度为l₄，所述轴向柔性支撑单元32的轴向刚度Ka表示为：

其中E为材料弹性模量，I为截面惯性矩。

同样，在所述轴向柔性支撑结构中，所述轴向刚度Ka主要功能是适应所述镜座10的结构变形和加工误差，所述法向刚度Kn主要用于限制所述大口径光学透镜200的横向即在垂直于光轴方向的平面内刚体运动，结构上设计为上下两侧目的是提高结构的法向刚度。

可以理解的是，由于所述大口径光学透镜200的镜面支撑应力尤其是热应力非常敏感，而且所述大口径光学透镜200的材料和所述多级柔性支撑结构100的材料热胀系数很难保持完全一致，因此本发明采用了与所述大口径光学透镜200的热胀系数相近的铟钢材料作为所述多级柔性支撑结构100的支撑垫，以有利于减小所述大口径光学透镜200与所述多级柔性支撑结构100之间的热应力，在此基础上，所述多级柔性支撑结构100的所述径向柔性支撑单元31和所述轴向柔性支撑单元32均被设置有柔性薄片，以此使得所述多级柔性支撑结构100能够满足在热变形方向上的柔度，而多个所述径向柔性支撑单元31、多个所述轴向柔性支撑单元32、多个所述铟钢支撑垫20以及所述镜座10之间相互连接，使得所述多级柔性支撑结构100的整体结构又能够保持较高的刚度，如此本发明的所述多级柔性支撑结构100能够克服柔度和高刚度支撑结构之间的矛盾，提供一种柔度和刚度相折中的所述多级柔性支撑结构100，从而能够同时满足所述大口径光学透镜200的位置精度和镜面面形精度的要求。

综上，本发明提出了一种用于大口径光学透镜200的所述多级柔性支撑结构100，充分利用了局部柔度大，整体刚度大的特点，即单个所述柔性支撑单元30柔度非常大，各个所述柔性支撑单元30与所述铟钢支撑垫20及所述镜座10构成所述多级柔性支撑结构100后的整体刚度非常大，使得所述多级柔性支撑结构100具有多级应力补偿功能，其中所述径向柔性支撑单元31用于补偿因透镜材料与镜座材料热胀系数差异性所产生的热应力，所述轴向柔性支撑单元32用于补偿因镜座结构变形和加工误差所引入的应力，以此所述多级柔性支撑结构100能够同时满足所述大口径光学透镜200的位置精度和镜面面形精度的需求。另外，所述多级柔性支撑结构100中仅有所述铟钢支撑垫20与所述大口径光学透镜200边缘粘接在一起，所述铟钢支撑垫20、所述镜座10以及所述柔性支撑单元30通过螺钉相互连接，这使得所述大口径光学透镜200与所述多级柔性支撑单元30易于分离，方便结构后期维护、所述柔性支撑单元30的更换等等。上述这些优点使得本发明所提供的所述多级柔性支撑结构100非常适合应用于大口径光学透镜200的支撑，采用所述多级柔性支撑结构100能够显著降低所述镜座10设计及加工难度，大幅度降低材料成本，具有较高的应用价值和创新性。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.多级柔性支撑结构，适于支撑大口径光学透镜，其特征在于，包括：

镜座；

多个铟钢支撑垫，所述铟钢支撑垫均匀设置于所述镜座并连接于所述大口径光学透镜；以及

多个柔性支撑单元，各所述柔性支撑单元连接于对应的所述铟钢支撑垫和所述镜座，各所述柔性支撑单元包括径向柔性支撑单元和连接于所述径向柔性支撑单元的轴向柔性支撑单元，所述径向柔性支撑单元连接于所述铟钢支撑垫，所述轴向柔性支撑单元连接于所述镜座，所述径向柔性支撑单元和所述轴向柔性支撑单元相互配合，以在四个方向的刚度上约束所述大口径光学透镜在空间的六个自由度，所述径向支撑单元被设置用于补偿因透镜材料与镜座材料热膨胀系数差异性所产生的热应力，所述轴向柔性支撑单元被设置用于补偿因镜座结构变形和加工误差所引入的应力。

2.根据权利要求1所述的多级柔性支撑结构，其特征在于，所述径向柔性支撑单元的刚度包括在相互垂直的两个方向的径向刚度Kr和切向刚度Kt；所述轴向柔性支撑单元的刚度包括在相互垂直的两个方向的轴向刚度Ka和法向刚度Kn，所述轴向刚度Ka用于约束所述大口径光学透镜沿z轴方向的移动自由度dz、x轴方向的转动自由度RotX、以及y轴方向的转动自由度RotY；所述径向刚度Kr、所述切向刚度Kt以及所述法向刚度Kn则分别用于约束z轴方向的转动自由度RotZ、x轴方向的移动自由度dx以及y轴方向的移动自由度dy。

3.根据权利要求2所述的多级柔性支撑结构，其特征在于，所述径向柔性支撑单元具有第一柔性薄片、连接于所述第一柔性薄片的两端的两第一连接件以及连接于所述第一柔性薄片中部的第二连接件，两所述第一连接件通过螺钉被固定连接于所述铟钢支撑垫，所述第二连接件通过螺钉被固定连接于所述轴向柔性支撑单元。

4.根据权利要求3所述的多级柔性支撑结构，其特征在于，所述径向柔性支撑单元分别通过螺钉连接于所述铟钢支撑垫和所述轴向柔性支撑单元时，所述第一柔性薄片等效为两端固支的超静定薄梁，设所述第一柔性薄片的长度为l₁，所述径向柔性支撑单元的径向刚度Kr和切向刚度Kt分别表示为：

其中E为材料弹性模量，A为所述第一柔性薄片的横截面面积，I为截面惯性矩。

5.根据权利要求3所述的多级柔性支撑结构，其特征在于，所述轴向柔性支撑单元具有基座和延伸自所述基座的凸台，所述凸台具有两安装槽并于两安装槽之间形成中间连接部，各所述安装槽被设置有第二柔性薄片，所述轴向柔性支撑单元的所述基座通过螺钉固定连接于所述镜座的台阶端面，所述中间连接部连接于所述径向柔性支撑单元的所述第二连接件。

6.根据权利要求5所述的多级柔性支撑结构，其特征在于，所述第二柔性薄片具有顶层柔性薄片和延伸于所述顶层柔性薄片的底层柔性薄片，设所述第二柔性薄片的底层柔性薄片和所述中间连接部之间的总长度为l₂，所述第二柔性薄片的顶层柔性薄片和所述中间连接部的总长度为l₃，所述中间连接部的长度为l₄，所述轴向柔性支撑单元的轴向刚度Ka表示为：

其中E为材料弹性模量，I为截面惯性矩。

7.根据权利要求1-6中任一所述的多级柔性支撑结构，其特征在于，所述铟钢支撑垫具有第一侧面和与所述第一侧面相对的第二侧面，所述第一侧面被设置为圆柱面，所述圆柱面的直径与所述大口径光学透镜的镜体外圆直径相同，以供所述铟钢支撑垫通过所述第一侧面与所述大口径光学透镜相粘接，所述铟钢支撑垫于所述第二侧面被设置有多个螺纹孔，以供所述铟钢支撑垫通过螺钉连接于所述柔性支撑单元。

8.根据权利要求1-6中任一所述的多级柔性支撑结构，其特征在于，所述镜座为圆环形镜座，并被设置由金属材料制成。

9.根据权利要求8所述的多级柔性支撑结构，其特征在于，所述镜座被所述镜座被设置有多个定位孔、多个操作孔以及多个加强筋，所述定位孔对应于相应的所述操作孔的位置被设置。

10.大口径光学透镜，其特征在于，包括根据权利要求1-9中任一所述的多级柔性支撑结构。

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