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小小的螺纹调节结构对光学支撑镜架的稳定性竟然这样重要？

光电汇OESHOW

2021-12-08

导读：经验分享：光学支撑镜架结构改进设计

张朝,朱健强

中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理重点实验室

摘　要

光学支架起着支撑光学系统空间位置稳定性的作用，其结构稳定性直接决定着光学性能的长期稳定性。本报告针对可调节支撑镜架中常用的调节结构进行了改进设计，改进结构可有效提升支撑镜架的调节稳定性和静置稳定性。搭建了镜架稳定性测试平台，结果验证了改进调节结构对镜架结构稳定性的有效性。

一

为什么需要光学支撑镜架？

光学仪器要实现各项光学指标，需要进行合理地光路设计，而光学指标的维持则需要稳定的机械支撑系统。光学支撑镜架起着支撑光学元件空间位置的作用，其结构稳定性直接影响着光学系统的稳定性。

支撑镜架结构中，调节支撑镜架在引入调节性的同时也引入了联接间隙，进而引入了结构不稳定性的因素。最常见的调节形式之一是螺纹微调结构。目前，提升结构的稳定性主要从材料的稳定性和结构设计方面来实现。由于调节机制所引入的不稳定性，主要表现在提升螺纹配合的调节精度以及添加锁紧结构。而针对螺纹调节机制本身存在的不稳定性则研究较少。针对该方向，笔者从功能上进行拆解，添加精密滑动配合替代耦合在螺纹配合中的轴孔导向功能，来提升结构的稳定性。下面笔者搭建了镜架稳定性对比测试平台来验证结构的有效性。

二

如何改进设计光学支撑镜架结构？

结构改进设计

图1所示为光学系统中常见的调节光学支撑镜架，采用6个球面点接触实现光学件的完全自由度约束。其中，螺纹微调结构是目前常见的调节结构，该结构采用螺纹配合，通过驱动调节丝杆，实现丝杆尖端的精密轴向进给。为了实现调节的顺畅性，通常在螺纹配合表面涂抹一定量的润滑脂。由于螺纹配合本身存在的配合径向间隙以及加工误差所引入的直线度误差，导致丝杆相对螺母进行驱动时存在产生微量的倾斜扰动，直接影响着调节结构的驱动稳定性。此外，较大的径向间隙下，润滑脂的缓慢蠕动也会改变丝杆相对螺母的位置，进而影响支撑镜架的结构稳定性。

图1 光学支撑镜架及常见的螺纹微调结构

基于此，笔者对螺纹微调结构进行了功能拆解并重组。螺纹微调结构中的螺纹配合起着驱动与导向功能，螺纹配合所耦合的轴孔配合起导向作用，螺纹配合起驱动作用。采用精密滑动配合替换轴孔配合，并与螺纹配合结构进行独立设计，形成本文所提出的改进螺纹微调结构，如图2所示。

图2 螺纹微调结构功能拆解并重组

改进螺纹微调结构包含把手、螺母、导向杆和螺栓。螺母内孔面为精密滑动面，与导向杆的精密轴面进行精密滑动配合。螺母外螺纹与把手内螺纹进行螺纹配合。把手与导向杆通过螺栓进行固定。

改进螺纹微调结构的有效性如图3所示。结构通过单独加工的精密滑动配合实现精密导向，解耦原先耦合在螺纹配合中的驱动和导向功能，摆脱了较大的螺纹配合径向间隙对导向的影响。由图3可知，随着径向倾斜角误差的减小(θ2<θ1)，轴向驱动误差(△z2<△z1)和径向倾斜误差(△r2<△r1)也会相应地减小。此外，独立的滑动配合还摆脱了螺纹配合中润滑脂蠕动的影响，提升了结构的位置稳定性。

图3 螺纹微调结构中径向间隙的影响分析

实验验证结果

利用图1中的光学支撑镜架分别对两种螺纹微调结构（改进与常用结构）进行了实验验证，包括驱动稳定性测试和位置稳定性测试。支撑镜架只在图1中的位置1安装螺纹微调结构，位置2和位置3采用钢珠替代。

图4为安装不同螺纹微调结构的光学支撑镜架。驱动螺纹微调结构将调节镜架pitch（绕x轴的旋转）角位置。本文的评价指标为支撑镜架在两维方向的角漂移，即yaw（绕y轴的旋转）和pitch（绕x轴的旋转）值。

图4 安装不同螺纹微调结构的光学支撑结构。（a）常用结构；（b）改进结构

1）驱动稳定性测试

驱动稳定性测试，对比不同螺纹微调结构的驱动稳定性差异，表现为驱动调节丝杆时对支撑镜架的两维倾角的影响。所搭建的驱动测试平台，直接采用自准直仪对准测试镜架进行测试。驱动螺纹微调结构做往复运动，测试镜架俯仰方位也产生往复调节，经测试镜架所反射的光斑在自准直仪CCD上也发生往复变化，实时记录光斑位置并转换为镜架的角位置。

图5所示为驱动测试中支撑镜架在两维方向上的角位置变化。可以看出随着Pitch方位的角位置产生往复变化，yaw方位角位置也产生往复变化。该现象主要是由于反射镜面上的光斑位置与镜架旋转中心不一致导致二维倾角存在串扰。为了比较两种结构中所调节维度（pitch值）对未调节维度（yaw值）的影响，设定参数瞬时变化率ε’为ε’=dy/dx。其中，dx和dy表示角位置在x轴和y轴方向上的瞬时变化量。ε’值越小表示调节一维倾角对另一维的倾角扰动就越小，调节稳定性就越高。

图5安装不同微调丝杆结构下的光学调整架的瞬时变化率。（a）常用结构；（b）改进结构

图5也绘制了调节不同螺纹微调结构对应镜架的瞬时变化率ε’。可以看出，调节常用螺纹微调结构时，瞬时变化率ε’总存在较大的扰动（图5a）；而调节改进结构时，ε’所产生的扰动则很小（图5b）。实验结果表明，改进螺纹微调结构可以有效地提升光学支撑镜架的驱动稳定性。

2）位置稳定性对比测试

如图6所示，是一种稳定性对比测试方法。由激光器产生的激光束经分光镜分为两束后，分别经对比测试镜架返回同一CCD，两束光经过相同次数的折射与反射，且具有相同的光程长度。光学支撑镜架的稳定性测试常施加热冲击。

图6 稳定性对比测试光路及测试平台

在本实验中，采用两个相同的加热灯泡对两个镜架进行热冲击测试，其中加热条件保持一致。单次热冲击包含热机时间（2h），加热时间（1h）和冷却时间（3h）。实验过程中，利用MATLAB软件实时捕捉光斑窗口图片，实验结束后利用重心法得出光斑相对于窗口坐标轴的位置。光斑在水平和竖直方向的漂移转换为镜架在yaw和pitch方向的角漂移。该测试方法可在同一光路中直接对不同镜架进行稳定性测试，避免了不同时间段对单个镜架测试所引入的环境对比误差。

图7所示为单次热冲击测试中安装不同螺纹微调结构的支撑镜架的角漂移曲线。在热冲击前后，两种结构在pitch方向都产生较小量的漂移；在yaw方向，常用结构(61.2 μrad)相对改进结构(5.1 μrad)产生较大的漂移量。提取每次测试加热前1h的平稳曲线数据和冷却结束时1h的平稳数据（如图7中的红色阴影区域），取均值后作为镜架单次热冲击前后的角位置。

图7 两次热冲击测试下不同支撑镜架结构的角位置变化。（a）常用结构；（b）改进结构。

图8显示了两种镜架在14次热冲击测试中的角漂移变化情况，其中温度为每次测试结束时的温度值。安装常用螺纹微调结构的支撑镜架在pitch和yaw方向上的角漂移分别为22.8 μrad和343.9 μrad，而改进结构在两方向上的角漂移则为26.8 μrad和18.9 μrad。两种结构在pitch方向均产生轻微的角漂移，但在yaw方向改进结构则产生很小的角漂移。实验结果验证了改进螺纹微调结构对光学支撑镜架径向偏摆稳定性的提升。

图8 不同支撑镜架结构的角漂移。（a）常用结构；（b）改进结构

改善螺纹微调结构内部径向间隙的同时，也改善了结构的轴向间隙，为了观察改进螺纹微调结构对支撑镜架结构的轴向稳定性影响，将原先的两维调节支撑镜架修改为一维调节支撑镜架。如图9所示，采用滚针结构替代原先的两个钢珠结构，剔除不同位置的钢珠可能引入的扰动，同时为了摆脱pitch方向可能存在重力对测试的干扰，将螺纹微调结构布置于调节光学支撑镜架水平方位的位置。调节丝杆将调节镜架的yaw位移。

图9 改进光学支撑镜架结构。（a）改进结构；（b）常用结构

再次搭建对比稳定性光路，测试两种镜架的稳定性。实验结果如图10所示。在15次热冲击测试中，常用结构在pitch和yaw方向上的最大角漂移分别为175 μrad和92 μrad，而改进结构在两方向上的最大角漂移则为73.6 μrad和47.3 μrad。同时，两种结构在yaw方向具有相同的变化趋势，但改进结构表现出更优异的轴向稳定性。结果验证了改进螺纹微调结构对光学支撑镜架的轴向稳定性的有效性。

图10 不同支撑镜架结构的轴向稳定性测试。（a）改进结构；（b）常用结构

三

结语

针对光学系统中的光学调节支撑镜架所引入的不稳定性，尤其是支撑结构内部的螺纹微调结构可能引入的不稳定性，笔者对此进行了改进设计。所设计的改进螺纹微调结构，通过添加精密滑动配合替代了耦合在螺纹配合中的导向功能，摆脱了螺纹配合中较大径向间隙对导向精度的影响，同时摆脱了螺纹配合中润滑脂蠕动对结构径向稳定性的影响。该螺纹微调结构可广泛应用于需进行精密角度调整的结构中。

作者介绍

张朝，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理重点实验室，博士后

朱健强，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理重点实验室，室主任/研究员