本發(fā)明屬于精密光學(xué)儀器，具體涉及一種用于同步輻射光束線、光譜儀等超高真空環(huán)境的光學(xué)元件夾持裝置及裝配方法，尤其適用于需要高精度調(diào)節(jié)和低面型誤差的光學(xué)元件固定場(chǎng)景。
背景技術(shù)：
1、隨著光學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，高精度光學(xué)元件在同步輻射光源、光譜儀、激光加工設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。這些光學(xué)元件（如反射鏡、光柵、透鏡等）的裝夾與調(diào)節(jié)精度直接決定了光學(xué)系統(tǒng)的整體性能。特別是在同步輻射光束線中，光學(xué)元件需要在超高真空環(huán)境下實(shí)現(xiàn)納米級(jí)面型精度和微弧度級(jí)的指向穩(wěn)定性，這對(duì)夾持裝置的設(shè)計(jì)提出了極高的要求。一方面，光學(xué)元件的裝夾誤差主要來(lái)源于接觸界面的非理想性。傳統(tǒng)夾持裝置多采用面對(duì)面接觸方式（如平面壓板或v型槽），這種設(shè)計(jì)對(duì)加工平面度要求極高。然而，實(shí)際加工中難以避免的平面度誤差會(huì)導(dǎo)致裝夾點(diǎn)位置漂移，進(jìn)而引入額外的面型畸變。文獻(xiàn)報(bào)道（daniele?cocco,?giovanni?sostero,?marco?zangrando,?“study?of?clamping-induceddeformations?on?sr?optics?by?means?of?ltp,”?proc.?spie?4145,?advances?in?x-ray?optics,?5?january?2001）指出，普通裝夾裝置的面型誤差普遍在1μrad以上，嚴(yán)重影響了光學(xué)元件的波前精度。此外，接觸面的局部應(yīng)力集中問(wèn)題也未被有效解決，尤其在高負(fù)載或長(zhǎng)期使用場(chǎng)景下，應(yīng)力集中可能引發(fā)光學(xué)元件的微裂紋或面型蠕變。另一方面，傳統(tǒng)夾持裝置通常采用剛性固定或單一維度的調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，例如通過(guò)螺栓直接壓緊或使用線性導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)平移調(diào)節(jié)。這類裝置雖然能夠滿足基本的固定需求，但難以實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件六自由度（x/y/z軸平移及繞三軸旋轉(zhuǎn)）的獨(dú)立精密調(diào)節(jié)。例如，專利cn119017292a公開(kāi)了一種異形光學(xué)元件夾持裝置及其使用方法，其僅能實(shí)現(xiàn)繞單一軸轉(zhuǎn)動(dòng)的微調(diào)，無(wú)法滿足同步輻射光束線中對(duì)多維度聯(lián)調(diào)的需求。同時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)中常見(jiàn)的“三點(diǎn)支撐”結(jié)構(gòu)雖能提供一定穩(wěn)定性，但其調(diào)節(jié)機(jī)制耦合性強(qiáng)，調(diào)節(jié)某一維度時(shí)易引發(fā)其他自由度的偏移，導(dǎo)致反復(fù)校準(zhǔn)耗時(shí)且精度難以保障。綜上所述，現(xiàn)有夾持技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇及誤差控制機(jī)制上均存在明顯短板，無(wú)法滿足高精度光學(xué)系統(tǒng)日益嚴(yán)苛的需求。本發(fā)明在此背景下，通過(guò)創(chuàng)新性的復(fù)合支撐結(jié)構(gòu)、球面-平面點(diǎn)接觸界面等設(shè)計(jì)，旨在突破傳統(tǒng)技術(shù)的局限，為光學(xué)元件的精密裝夾提供全新解決方案。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明旨在解決傳統(tǒng)光學(xué)元件夾持裝置裝夾誤差大、調(diào)節(jié)維度有限的問(wèn)題。為達(dá)到該目的，第一方面，本發(fā)明提供一種光學(xué)元件六自由度調(diào)節(jié)夾持裝置，包括：
2、支撐底座，其底部平面設(shè)有第一通孔組構(gòu)成三角形布局；
3、光學(xué)元件，其重心位于所述三角形布局內(nèi)部；
4、球頭調(diào)節(jié)螺釘，安裝于所述第一通孔組及支撐底座側(cè)邊的第二通孔組內(nèi)；
5、懸臂彈簧機(jī)構(gòu)，安裝于支撐底座端面的柱形沉頭孔內(nèi)，包括一號(hào)肩式螺釘、彈簧和懸臂結(jié)構(gòu)，所述懸臂結(jié)構(gòu)前端為曲面，與球頭調(diào)節(jié)螺釘構(gòu)成對(duì)頂結(jié)構(gòu)；
6、彈性對(duì)頂機(jī)構(gòu)，安裝于支撐底座側(cè)邊的螺紋孔內(nèi)，并與球頭調(diào)節(jié)螺釘構(gòu)成對(duì)頂結(jié)構(gòu)，包括球頭、連接組件、預(yù)壓縮彈簧及二號(hào)肩式螺釘。
7、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述第一通孔組由第一通孔、第二通孔以及第三通孔組成；
8、其中，所述第一通孔與所述第二通孔的孔間間距為同向所述光學(xué)元件長(zhǎng)度的0.5-0.8倍。
9、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述懸臂彈簧機(jī)構(gòu)中，所述彈簧的預(yù)壓縮量與剛度系數(shù)根據(jù)光學(xué)元件質(zhì)量設(shè)定，總夾持力為光學(xué)元件重力的2-3倍。
10、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述球頭調(diào)節(jié)螺釘?shù)穆菥酁?.25mm，其與所述光學(xué)元件的接觸端為球面結(jié)構(gòu)，且材料選自鎢鋼或磷青銅。
11、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述支撐底座底部設(shè)有十字槽口和直槽口，用以實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件的初步定位。
12、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述彈性對(duì)頂機(jī)構(gòu)中，所述二號(hào)肩式螺釘?shù)拈L(zhǎng)度根據(jù)預(yù)壓縮彈簧的剛度系數(shù)、預(yù)壓縮量及光學(xué)元件質(zhì)量設(shè)定。
13、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述支撐底座側(cè)邊設(shè)有梯形槽，用于定位所述懸臂彈簧機(jī)構(gòu)。
14、第二方面，本發(fā)明提供一種光學(xué)元件裝配方法，適用于上述光學(xué)元件六自由度調(diào)節(jié)夾持裝置，包括以下步驟：
15、s1、將光學(xué)元件初步定位至支撐底座的十字槽口或直槽口構(gòu)成的矩形區(qū)域；
16、s2、通過(guò)調(diào)節(jié)所述第一通孔組中的球頭調(diào)節(jié)螺釘，控制光學(xué)元件的z軸位移及繞x/y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)；
17、s3、通過(guò)調(diào)節(jié)所述第二通孔組中的球頭調(diào)節(jié)螺釘及彈性對(duì)頂機(jī)構(gòu)，控制光學(xué)元件的x/y軸平移及繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。
18、在其中一個(gè)實(shí)施例中，步驟s2和s3中，采用激光干涉儀和/或同軸位移計(jì)作為反饋裝置，在光學(xué)元件表面布置多個(gè)測(cè)量頭進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。
19、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述支撐底座的第一通孔組、第二通孔組、螺紋孔及十字槽口尺寸根據(jù)光學(xué)元件的長(zhǎng)度和寬度動(dòng)態(tài)調(diào)整。
20、相較于傳統(tǒng)的光學(xué)元件夾持裝置而言，本發(fā)明具有如下優(yōu)勢(shì)：
21、1.本發(fā)明創(chuàng)新性地采用彈性變形與剛性微調(diào)耦合的復(fù)合支撐結(jié)構(gòu)，通過(guò)懸臂彈簧機(jī)構(gòu)-球頭調(diào)節(jié)螺釘組合以及彈性對(duì)頂機(jī)構(gòu)-球頭調(diào)節(jié)螺釘組合，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)元件六自由度位姿的獨(dú)立精確調(diào)控，其中z軸位移及繞x/y軸轉(zhuǎn)角、x/y軸平移及繞z軸轉(zhuǎn)角等各個(gè)方向都能進(jìn)行高精度控制，有效滿足了現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光學(xué)元件多維度精確調(diào)節(jié)的需求，尤其是適用于對(duì)調(diào)節(jié)精度要求極高的同步輻射光束線和光譜儀等精密光學(xué)系統(tǒng)。
22、2.本發(fā)明采用點(diǎn)接觸設(shè)計(jì)，球頭調(diào)節(jié)螺釘、彈性對(duì)頂機(jī)構(gòu)和懸臂彈簧機(jī)構(gòu)與光學(xué)元件的接觸界面均為球面-平面點(diǎn)接觸結(jié)構(gòu)，從根本上消除了因加工平面度誤差導(dǎo)致的裝夾點(diǎn)位置漂移問(wèn)題，還有效避免了非理想接觸面引起的局部應(yīng)力集中，相比傳統(tǒng)面對(duì)面接觸方式，能更好地保持光學(xué)元件的面型精度。接觸球面選用高硬度、高穩(wěn)定性的鎢鋼或磷青銅材料，相比現(xiàn)有技術(shù)中一些采用非金屬材料的方案，可有效避免彈性變形和長(zhǎng)期蠕變導(dǎo)致的裝夾精度和穩(wěn)定性差的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，該裝置帶來(lái)的裝夾面型誤差僅為0.068μrad，遠(yuǎn)優(yōu)于普通裝夾裝置約1μrad的夾持結(jié)果。
23、3.本發(fā)明具有良好的通用性和互換性。球頭調(diào)節(jié)螺釘選用市售細(xì)牙標(biāo)準(zhǔn)件（螺距0.25mm），方便獲取且互換性好。同時(shí)，彈性對(duì)頂機(jī)構(gòu)和懸臂彈簧機(jī)構(gòu)通過(guò)精確計(jì)算彈性元件的預(yù)壓縮量和剛度系數(shù)，確保系統(tǒng)總夾持力達(dá)到光學(xué)元件重力的2-3倍，可有效抵抗沖擊加速度工況對(duì)光學(xué)元件的影響，保證了夾持的可靠性。
24、4.本發(fā)明的結(jié)構(gòu)布局合理且靈活。支撐底座上各類通孔、螺紋孔、槽口等的位置和尺寸可根據(jù)光學(xué)元件的尺寸動(dòng)態(tài)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)最佳的支撐與調(diào)節(jié)效果，適應(yīng)不同尺寸和構(gòu)型的光學(xué)元件。支撐底座底部的十字槽口和直槽口能為光學(xué)元件提供初步定位功能，便于快速安裝和調(diào)整。彈性對(duì)頂機(jī)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，其各組成部分的參數(shù)可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提升了裝置的適用性和靈活性。
1.光學(xué)元件六自由度調(diào)節(jié)夾持裝置，其特征在于，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件六自由度調(diào)節(jié)夾持裝置，其特征在于：所述第一通孔組（1-1-1、1-1-2、1-1-3）由第一通孔（1-1-1）、第二通孔（1-1-2）以及第三通孔（1-1-3）組成；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件六自由度調(diào)節(jié)夾持裝置，其特征在于：所述懸臂彈簧機(jī)構(gòu)（4）中，所述彈簧（4-2）的預(yù)壓縮量與剛度系數(shù)根據(jù)光學(xué)元件（2）質(zhì)量設(shè)定，總夾持力為光學(xué)元件（2）重力的2-3倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件六自由度調(diào)節(jié)夾持裝置，其特征在于：所述球頭調(diào)節(jié)螺釘（3、5、7）的螺距為0.25mm，其與所述光學(xué)元件（2）的接觸端為球面結(jié)構(gòu)，且材料選自鎢鋼或磷青銅。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件六自由度調(diào)節(jié)夾持裝置，其特征在于：所述支撐底座（1）底部設(shè)有十字槽口（1-7-1、1-7-2、1-7-3、1-7-4）和直槽口（1-8-1、1-8-2），用以實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件（2）的初步定位。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件六自由度調(diào)節(jié)夾持裝置，其特征在于：所述彈性對(duì)頂機(jī)構(gòu)（6、8）中，所述二號(hào)肩式螺釘（6-4）的長(zhǎng)度根據(jù)預(yù)壓縮彈簧（6-3）的剛度系數(shù)、預(yù)壓縮量及光學(xué)元件（2）質(zhì)量設(shè)定。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件六自由度調(diào)節(jié)夾持裝置，其特征在于：所述支撐底座（1）側(cè)邊設(shè)有梯形槽（1-9-1、1-9-2、1-9-3），用于定位所述懸臂彈簧機(jī)構(gòu)（4）。
8.光學(xué)元件裝配方法，基于權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的光學(xué)元件六自由度調(diào)節(jié)夾持裝置，其特征在于，包括以下步驟：
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)元件裝配方法，其特征在于：步驟s2和s3中，采用激光干涉儀和/或同軸位移計(jì)作為反饋裝置，在光學(xué)元件（2）表面布置多個(gè)測(cè)量頭進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于：所述支撐底座（1）的第一通孔組（1-1-1、1-1-2、1-1-3）、第二通孔組（1-3-1、1-3-2、1-5）、螺紋孔（1-4-1、1-4-2、1-6）及十字槽口（1-7-1、1-7-2、1-7-3、1-7-4）尺寸根據(jù)光學(xué)元件（2）的長(zhǎng)度和寬度動(dòng)態(tài)調(diào)整。