RU2748827C1 - Frame for non-deformational high-precision installation of optical parts - Google Patents

Abstract

FIELD: optical instrument making.

SUBSTANCE: invention relates to optical instrument making, it can be used in the adjustment, setup and laboratory testing of optical and optical-electronic devices. The frame for high-precision installation of optical parts contains a case and a pressure flange made with the possibility of tightening them together with bolts. In the case and flange, blind holes are drilled for installing balls with the possibility of rigid fixation of some balls and spring loading of other balls. Three balls are rigidly fixed in the case bottom, and the remaining balls are spring-loaded in the case bottom. Two balls are rigidly fixed in the case sidewall, and the remaining balls are spring-loaded. Movable balls are installed on the inner side of the pressure flange.

EFFECT: invention is aimed at providing high-precision installation of optical parts.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано при юстировке, наладке и в лабораторных испытаниях оптических и оптико-электронных устройств.The invention relates to optical instrumentation and can be used for alignment, commissioning and laboratory testing of optical and optoelectronic devices.

При изготовлении оптических элементов для коротковолнового диапазона длин волн (вакуумный и экстремальный ультрафиолет, рентгеновское излучение), а так же различных высокоточных эталонов и корректоров волнового фронта для оптических приборов (интерферометры, коллиматоры и др.) необходимо учитывать различные проблемы на стадиях их изготовления, закрепления в оправы и установки в приборы.In the manufacture of optical elements for the short-wavelength range of wavelengths (vacuum and extreme ultraviolet, X-ray radiation), as well as various high-precision standards and wavefront correctors for optical devices (interferometers, collimators, etc.), it is necessary to take into account various problems at the stages of their manufacture, fixing in frames and installation in devices.

На стадии изготовления необходимо учесть необходимость многократного прерывания процесса обработки (механическое полирование, ионно-пучковая асферизация и коррекция локальных ошибок формы) для проверки качества формы поверхности элемента в интерферометре. Важными условиями проведения высокоточных измерений являются:At the manufacturing stage, it is necessary to take into account the need for multiple interruptions of the processing process (mechanical polishing, ion-beam aspherization, and correction of local shape errors) to check the quality of the element surface shape in the interferometer. Important conditions for high-precision measurements are:

- многократная установка исследуемой детали в интерферометр без изменения величины механических нагрузок на деталь;- multiple installation of the investigated part into the interferometer without changing the magnitude of the mechanical loads on the part;

- сохранение положения исследуемой детали при многократной установке в интерферометр с субмикрометровой точностью;- preservation of the position of the investigated part during repeated installation in the interferometer with submicrometer accuracy;

- перед каждым процессом обработки и проведения измерений деталь должна позволять проводить полный цикл химической обработки, с целью очистки поверхности от загрязнений как органическими, так и неорганическими веществами.- before each process of processing and measurements, the part must allow a full cycle of chemical processing, in order to clean the surface from contamination with both organic and inorganic substances.

Известна трехточечная система закрепления высокоточной детали в оправу, описанная в работе [1]. К торцевой поверхности через 120° к ней из металла с низким коэффициентом линейного расширения приклеиваются 3 уха с шариками. Шарики встают в лунки ответной детали. Внутри шариков и лунки имеется отверстие, через которое проходит винт для крепления детали. Недостатком такой системы является чувствительность к малейшему наклону детали по отношению к предыдущей установке. Неконтролируемый наклон приводит к появлению деформации зеркала. Другим недостатком этой оправы является сложность изготовления, требующая специального оборудования, в частности высокоточной 3-х координатной измерительной системы с субмикрометровой точностью. Другим недостатком является необходимость приклейки к оправе ушей. В процессе химической обработки детали наблюдается коррозия элементов конструкции и дополнительные загрязнения рабочей поверхности как органическими (растворенные остатки клея), так и неорганическими материалами.Known three-point system for fixing high-precision parts in the frame, described in [1]. 3 ears with balls are glued to the end surface after 120 ° of metal with a low linear expansion coefficient. The balls fit into the holes of the counterpart. Inside the balls and the hole there is a hole through which a screw passes to secure the part. The disadvantage of such a system is the sensitivity to the slightest tilt of the part in relation to the previous installation. Uncontrolled tilt will deform the mirror. Another disadvantage of this frame is the complexity of manufacturing, which requires special equipment, in particular, a high-precision 3-coordinate measuring system with sub-micrometer accuracy. Another disadvantage is the need to adhere to the rim of the ears. In the process of chemical processing of the part, corrosion of structural elements and additional contamination of the working surface with both organic (dissolved glue residues) and inorganic materials are observed.

Известна конструкция крепления зеркала, так называемый bi-pod, описанная в [2], так же к детали приклеиваются 3 металлических уха, а вместо шариков деталь крепится в бездеформационные держатели с помощью этих ушей. Система проще в изготовлении, однако, малейшая непараллельность ушей и ответной детали приводит к деформации зеркала. Для дальнейшего использования требуется сложная подстройка с интерферометрическим контролем. Так же не решается проблема коррозии ушей и загрязнений поверхности при химической обработке детали.Known design for mounting a mirror, the so-called bi-pod, described in [2], 3 metal ears are also glued to the part, and instead of balls, the part is attached to deformation-free holders using these ears. The system is easier to manufacture, however, the slightest non-parallelism of the ears and the counterpart leads to deformation of the mirror. For further use, a complex adjustment with interferometric control is required. The problem of ear corrosion and surface contamination during chemical processing of the part is also not solved.

Аналогичные проблемы имеются у крепления с помощью плоских и цилиндрических пружин [3-5]. В дополнение к проблемам, связанным с химической обработкой подложек в оправе [6], из-за сильного термического расширения силиконового клея, наблюдается плохая стабилизация положения в направлении оси детали, особенно при ее вертикальном расположении.Fastening with flat and coil springs [3-5] has similar problems. In addition to the problems associated with the chemical treatment of the substrates in the frame [6], due to the strong thermal expansion of the silicone adhesive, there is poor stabilization of the position in the direction of the axis of the part, especially when it is vertical.

Не требует приклейки дополнительных деталей (ушей) к исследуемому образцу оправа, описанная в [7]. Оптическая деталь помещается внутри корпуса, после чего вращением внутреннего цилиндрического кольца упругие ленты из промежутка между корпусом и кольцом перемещаются в промежуток между кольцом и оптической деталью. Когда все пространство между внутренним кольцом и оптической деталью будет плотно затянуто упругими лентами, оптическая деталь оказывается жестко закрепленной. Крепление оптической детали при этом не требует предварительной установки детали в оправе со строго определенным посадочным диаметром, а также исключает возможность деформаций оптической детали в связи с равномерным распределением усилий по всей наружной поверхности. Деталь может подвергаться химической очистке.The frame described in [7] does not require gluing additional parts (ears) to the test specimen. The optical part is placed inside the housing, after which, by rotating the inner cylindrical ring, the elastic bands move from the gap between the housing and the ring to the gap between the ring and the optical part. When the entire space between the inner ring and the optical part is tightly tightened with elastic bands, the optical part is rigidly fixed. At the same time, the fastening of the optical part does not require preliminary installation of the part in a frame with a strictly defined landing diameter, and also excludes the possibility of deformation of the optical part due to the uniform distribution of forces over the entire outer surface. The part can be chemically cleaned.

Недостатком этого метода является неконтролируемая точность посадки в ленте. В поперечном направлении - из-за использования металлической ленты с большой шероховатостью; в осевом направлении - из-за отсутствия какого-либо ограничения в этом направлении.The disadvantage of this method is the uncontrolled precision of the belt fit. In the transverse direction - due to the use of a metal tape with a large roughness; in the axial direction - due to the absence of any limitation in this direction.

Задачей изобретения является создание такой оправы, которая бы позволяла снимать и устанавливать в нее оптическую деталь без необходимости ее юстировки и без изменения деформации, вызванной ее установкой в оправу. Такая оправа полезна при многократной коррекции формы оптической детали по данным оптических (например, интерферометрических) измерений и может использоваться в любой ориентации детали по отношению к гравитационному полю Земли.The object of the invention is to provide such a frame that would allow removing and installing an optical part in it without the need to adjust it and without changing the deformation caused by its installation in the frame. Such a frame is useful for multiple correction of the shape of an optical part according to optical (for example, interferometric) measurements and can be used in any orientation of the part with respect to the Earth's gravitational field.

Заявленная конструкция позволяет однозначно устанавливать деталь в оправу при многократных размонтированиях оправы. Поскольку нагрузка на деталь полностью контролируется пружинами, то деформация детали будет постоянной, практически не зависящей от деформаций корпуса и фланца. В процессе коррекции формы поверхности детали локальная деформация поверхности детали, связанная с механическим воздействием шариков, будет исправлена и в дальнейшем, из-за постоянства воздействующих на деталь сил, не будет появляться.The claimed design allows you to unambiguously install the part in the frame during multiple unmounting of the frame. Since the load on the part is completely controlled by the springs, the deformation of the part will be constant, practically independent of the deformations of the body and flange. In the process of correcting the shape of the part surface, the local deformation of the part surface associated with the mechanical action of the balls will be corrected and in the future, due to the constancy of the forces acting on the part, will not appear.

Поставленная задача решается тем, что оправа для высокоточной установки оптических деталей содержит корпус и прижимной фланец, выполненные с возможностью стягивания их между собой болтами и в которых просверлены глухие отверстия для установки шариков с возможностью жесткой фиксации одних шариков и подпружинивания других шариков, причем в дне корпуса жестко фиксируются три шарика, остальные шарики подпружинены в дне корпуса, при этом в боковой стенке корпуса жестко фиксируются два шарика, а остальные шарики подпружинены, в прижимном фланце установлены подвижные шарики на его внутренней стороне.The problem is solved by the fact that the frame for high-precision installation of optical parts contains a housing and a clamping flange made with the possibility of tightening them together with bolts and in which blind holes are drilled for installing balls with the possibility of rigid fixation of some balls and springing other balls, and in the bottom of the housing three balls are rigidly fixed, the rest of the balls are spring-loaded in the bottom of the body, while two balls are rigidly fixed in the side wall of the body, and the rest of the balls are spring-loaded, movable balls are installed in the clamping flange on its inner side.

Для решения технической проблемы предлагается следующий метод. В основе предложения лежит известный факт, что три точки полностью определяют плоскость. Второй факт - современные методы изготовления шариков, например для подшипников, позволяют изготавливать металлические и неметаллические шарики из твердых материалов с шероховатостью поверхности, лежащей в субмикронной области.To solve a technical problem, the following method is proposed. The proposal is based on the well-known fact that three points completely define the plane. The second fact is that modern methods of making balls, for example, for bearings, make it possible to produce metallic and non-metallic balls from hard materials with a surface roughness lying in the submicron region.

Устройство состоит из корпуса и прижимного фланца. В корпусе и фланце просверлены глухие отверстия для установки шариков. Жестко зафиксированные шарики служат опорой для устанавливаемой в оправу оптической детали. Подпружиненные шарики служат для разгрузки, уменьшая деформацию при зажиме детали в оправу. Меняя количество и жесткость пружин, можно регулировать силу зажима оптической детали в оправе. В дне корпуса три шарика жестко зафиксированы, остальные шарики подпружинены. В боковой стенке корпуса два шарика жестко зафиксированы, остальные подпружинены. В прижимном фланце все шарики подвижные и подпружинены. Корпус и фланец стягиваются болтами.The device consists of a body and a pressure flange. Blind holes are drilled in the body and flange to accommodate the balls. The rigidly fixed balls serve as a support for the optical part installed in the frame. The spring-loaded balls are used for unloading, reducing deformation when clamping the part into the holder. By varying the number and stiffness of the springs, you can adjust the clamping force of the optical part in the frame. In the bottom of the case, three balls are rigidly fixed, the rest of the balls are spring-loaded. In the side wall of the body, two balls are rigidly fixed, the rest are spring-loaded. In the pressure flange, all balls are movable and spring-loaded. The body and flange are bolted together.

Изобретение иллюстрируется чертежом, где на фиг. 1-4 поясняется принцип работы предложенного устройства. В дне корпуса 1, изготовленного из металла через 120° по окружности (т.е. на одинаковом расстоянии от центра корпуса) плотно запрессовываются три шарика 2 (фиг. 2). На фигурах чертежа все зафиксированные (запрессованные) шарики закрашены черным цветом. Шарики 2 обеспечивают однозначную установку оптической детали 3 в плоскости (x, z) (фиг. 1).The invention is illustrated in the drawing, where FIG. 1-4 explains the principle of operation of the proposed device. In the bottom of the housing 1, made of metal every 120 ° around the circumference (ie at the same distance from the center of the housing), three balls 2 are tightly pressed (Fig. 2). In the figures of the drawing, all fixed (pressed) balls are painted over in black. The balls 2 provide an unambiguous installation of the optical part 3 in the plane (x, z) (Fig. 1).

Для уменьшения механического напряжения на той же окружности равномерно устанавливаются подвижные шарики 4 (фиг. 1 и 2), сила воздействия которых на деталь контролируется пружинами 5 (фиг. 1). На фигурах чертежа все подвижные шарики не закрашены. Количество подвижных шариков зависит от диаметра детали и допустимой нагрузки на деталь.To reduce the mechanical stress on the same circumference, movable balls 4 (Figs. 1 and 2) are evenly installed, the force of action of which on the part is controlled by springs 5 (Fig. 1). In the figures of the drawing, all the movable balls are not painted over. The number of movable balls depends on the diameter of the part and the allowable load on the part.

Тем самым однозначно определяется плоскость и координата детали вдоль оси у, у₀.Thus, the plane and the coordinate of the part along the y, y ₀ axis are uniquely determined.

Для точной и воспроизводимой установки детали в плоскости (x, z) в боковой части корпуса плотно запрессованы 2 шарика 6 (фиг. 3).For an accurate and reproducible installation of the part in the plane (x, z), 2 balls 6 are tightly pressed into the side of the body (Fig. 3).

Для поджима детали к неподвижным шарикам 6, а также контроля механического напряжения в этих точках на той же окружности в боковой части корпуса устанавливаются подвижные шарики 7 (фиг. 3), сила воздействия которых на деталь контролируется пружинами 8 (фиг. 1). Количество подвижных шариков зависит от диаметра детали и допустимой нагрузки на деталь.To press the part to the stationary balls 6, as well as to control the mechanical stress at these points on the same circumference, movable balls 7 (Fig. 3) are installed in the side of the body, the force of which is controlled by the springs 8 (Fig. 1). The number of movable balls depends on the diameter of the part and the allowable load on the part.

С тыльной стороны деталь прижимается фланцем 9 (фиг. 1) с помощью болтов 10 (фиг. 1), распределенных равномерно по окружности. Соединение корпуса и фланца производится до полного контакта между ними. Прижим детали осуществляется за счет подвижных шариков 11 в прижимном фланце на его внутренней стороне (фиг. 1 и 4), сила воздействия которых на деталь контролируется пружинами 12 (фиг. 1). Количество подвижных шариков зависит от диаметра детали и допустимой нагрузки на деталь.From the rear side, the part is pressed by the flange 9 (Fig. 1) using bolts 10 (Fig. 1), distributed evenly around the circumference. The connection of the body and the flange is made until full contact between them. Clamping of the part is carried out due to movable balls 11 in the clamping flange on its inner side (Fig. 1 and 4), the force of action of which on the part is controlled by springs 12 (Fig. 1). The number of movable balls depends on the diameter of the part and the allowable load on the part.

Описанная конструкция позволяет однозначно устанавливать деталь в оправу при многократных размонтированиях узла. Так как нагрузка на деталь полностью контролируется пружинами, то деформация детали будет постоянной, практически не зависящей от деформаций корпуса и фланца. В процессе коррекции формы поверхности детали локальная деформация поверхности детали, связанная с механическим воздействием шариков, будет исправлена и в дальнейшем, из-за постоянства воздействующих на деталь сил, не будет появляться.The described design makes it possible to unambiguously install the part in the frame during multiple unmounting of the assembly. Since the load on the part is completely controlled by the springs, the deformation of the part will be constant, practically independent of the deformations of the body and flange. In the process of correcting the shape of the part surface, the local deformation of the part surface associated with the mechanical action of the balls will be corrected and in the future, due to the constancy of the forces acting on the part, will not appear.

Для обеспечения высокой точности установки детали в оправу по всем координатам рекомендуется:To ensure high accuracy of setting the part into the holder in all coordinates, it is recommended:

- минимизировать эллипсность детали на стадии ее округления;- to minimize the ellipticity of the part at the stage of its rounding;

- полировать все поверхности детали, имеющие контакт с шариками;- polish all surfaces of the part in contact with the balls;

- при установке детали в корпус сохранять ее ориентацию по отношению к повороту вокруг собственной оси.- when installing a part in the body, maintain its orientation with respect to rotation around its own axis.

Список литературыBibliography

1. Dinger, U., Eisert, F., Lasser, Н., Mayer, М., Seifert, A., Seitz, G., Stacklies, S., Stickel, F.-J., Weiser, M., "Mirror substrates for EUV lithography: progress in metrology and optical fabrication technology," Proc. SPIE 4146, 35-46 (2000).1. Dinger, U., Eisert, F., Lasser, H., Mayer, M., Seifert, A., Seitz, G., Stacklies, S., Stickel, F.-J., Weiser, M., "Mirror substrates for EUV lithography: progress in metrology and optical fabrication technology," Proc. SPIE 4146, 35-46 (2000).

2. Cheimets, P., Caldwell, D.C, Chou, C, Gates, R., Lemen, J., Podgorski, W. A., Wolfsonb, C. J., Wuelser, J. - P.,"SDO-AIA Telescope Design," Proc. of SPIE 7438, 74380G-1 (2009).2. Cheimets, P., Caldwell, DC, Chou, C, Gates, R., Lemen, J., Podgorski, WA, Wolfsonb, CJ, Wuelser, J.-P., "SDO-AIA Telescope Design," Proc ... of SPIE 7438,74380G-1 (2009).

3. Hagyong Kihm, Ho-Soon Yang, Kweon Moon, Jeong-Heum Yeon, Seung-Hoon Lee and Yun-Woo Lee. Adjustable bipod flexures for mounting mirrors in a space telescope. APPLIED OPTICS. Vol. 51, No. 32, p.. 7776-7783 (2012).3. Hagyong Kihm, Ho-Soon Yang, Kweon Moon, Jeong-Heum Yeon, Seung-Hoon Lee and Yun-Woo Lee. Adjustable bipod flexures for mounting mirrors in a space telescope. APPLIED OPTICS. Vol. 51, No. 32, p .. 7776-7783 (2012).

4.1. V. Malyshev, N. I. Chkhalo, M. N. Toropov, N. N. Salashchenko, A. E. Pestov, S. V. Kuzin, V. N. Polkovnikov. Deformation-free rim for the primary mirror of telescope having sub-second resolution. Proc. SPIE 10235, EUV and X-ray Optics: Synergy between Laboratory and Space V, 102350C (May 31, 2017); doi: 10.1117/12.2269433.4.1. V. Malyshev, N. I. Chkhalo, M. N. Toropov, N. N. Salashchenko, A. E. Pestov, S. V. Kuzin, V. N. Polkovnikov. Deformation-free rim for the primary mirror of telescope having sub-second resolution. Proc. SPIE 10235, EUV and X-ray Optics: Synergy between Laboratory and Space V, 102350C (May 31, 2017); doi: 10.1117 / 12.2269433.

5. Окатов, M.A. Справочник технолога-оптика / M.A. Окатов, Э.А. Антонов, А. Байгожин и др.; Под ред. М.А. Окатова // СПб.: Политехника. - 2004. - 679 с.5. Okatov, M.A. Optical Technologist Handbook / M.A. Okatov, E.A. Antonov, A. Baigozhin and others; Ed. M.A. Okatova // St. Petersburg: Polytechnic. - 2004 .-- 679 p.

6. Н.Н. Салащенко, М.Н. Торопов, Н.И. Чхало. Особенности установки сверхточной оптики в оправы. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. №5. 2010. С. 3-9.6. N.N. Salashchenko, M.N. Toropov, N.I. Chkhalo. Features of the installation of ultra-precise optics in frames. Surface. X-ray, synchrotron and neutron research. No. 5. 2010.S. 3-9.

7. Патент SU 1427326 А1.7. Patent SU 1427326 A1.

Claims (1)

Оправа для высокоточной установки оптических деталей, содержащая корпус и прижимной фланец, выполненные с возможностью стягивания их между собой болтами и в которых просверлены глухие отверстия для установки шариков с возможностью жесткой фиксации одних шариков и подпружинивания других шариков, причем в дне корпуса жестко фиксируются три шарика, остальные шарики подпружинены в дне корпуса, при этом в боковой стенке корпуса жестко фиксируются два шарика, а остальные шарики подпружинены, в прижимном фланце установлены подвижные шарики на его внутренней стороне.A frame for high-precision installation of optical parts, containing a housing and a clamping flange, made with the possibility of tightening them together with bolts and in which blind holes are drilled for installing balls with the possibility of rigidly fixing some balls and springing other balls, and three balls are rigidly fixed in the bottom of the housing, the rest of the balls are spring-loaded in the bottom of the housing, while two balls are rigidly fixed in the side wall of the housing, and the rest of the balls are spring-loaded, movable balls are installed in the clamping flange on its inner side.

Images