CN105929472B - 一种空心角锥反射镜及其制备方法 - Google Patents
一种空心角锥反射镜及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种空心角锥反射镜及其制造方法。所述空心角锥反射镜包括反射镜片以及连接边，所述反射镜片包括第一镜片、第二镜片以及第三镜片，所述连接边包括第一镜片连接第二镜片的第一连接边，第一镜片连接第三镜片的第二连接边以及第二镜片连接第三镜片的第三连接边；所述连接边上固定有一个至多个辅助镜片。本发明利用辅助镜片连接固定空心角锥反射镜的镜片，由此解决现有技术中空心角锥反射镜的角精度低，机械强度差的技术问题。
Description
技术领域
本发明属于精密测量领域，更具体地，涉及一种空心角锥反射镜及其制造方法。
背景技术
随着科学的发展和进步，目前的卫星和月球激光测距的单激光脉冲测距精度达到了cm级别，这个测距精度对一系列基础引力物理研究(包括广义相对论等效原理检验、万有引力常数随时间变化、牛顿反平方定律检验和后牛顿参数测量等)具有极其重要的价值。当前的卫星/月球激光测距的合作目标均为小尺寸(38mm口径)的实体角锥反射镜阵列，由于合作目标有多个反射中心，使测距结果有cm级的不确定度。为了对现有的基础引力物理原理进行更高精度的检验，激光测距的精度需要达到mm级别。根据当前激光测距的误差分析，消除激光反射镜的误差成为提高测距精度的最佳突破口。其中，空心角锥反射镜的内表面镀有用于反射光线的反射膜，对材料的均匀性没有严格要求，可以制作更大的口径。
目前，美国PLX公司可生产世界上精度最高的100mm口径空心角锥反射镜，由三片经过研磨和镀膜的镜片粘接而成，粘接工艺直接决定了二面角精度，其每个二面角的直角精度达到0.5角秒。他们采用环氧树脂胶水将镜片两两粘接。环氧树脂在固化过程中应力慢慢释放，胶水厚度为10μm量级。该方法制造的空心角锥反射镜，可以用于实验室条件下；然而环氧树脂胶水的粘接强度难以承受极端环境，在受到震动，如经历超声波清洗之后，反射镜片容易脱落。因此，对于卫星/月球环境来说，该空心角锥反射镜的温度适应性和机械强度都达不到要求。
目前，美国NASA戈达德飞行中心公开了利用碱性催化粘结技术制造空心角锥反射镜的粘接方法(Preston and Merkowitz,2013)。该方法采用将三片经过研磨的反射镜片紧密地扣在一个高精度的实体角锥反射镜模具上，固定好再将粘接溶液利用毛细作用渗入粘结缝隙，使反射镜片互相粘接。然而该方法具有以下缺陷：第一，由于粘接溶液利用毛细作用渗透入反射镜片之间的缝隙，镜片细微的侧垂角度的差别就会使得缝隙内部的粘接溶液不均匀，使得不同部位的粘接强度分布不均，进而使得部分连接部位被拉伸从而影响其机械强度以及角精度；第二，该方法由于对反射镜片的侧垂精度要求很高(至少需要优于3角秒)，从而增加了加工难度，因此空心角锥的三片反射镜片难以进行两两约束的配合，使得该空心角锥反射镜不能满足角秒级的二面角精度的要求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种空心角锥反射镜及其制造方法，通过在空心角锥反射镜的连接边上设置辅助镜片，用于连接并固定反射镜片，由此解决现有技术中空心角锥反射镜的角精度低，机械强度差的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了空心角锥反射镜，包括反射镜片以及连接边，所述反射镜片包括第一镜片、第二镜片以及第三镜片，所述连接边包括第一镜片连接第二镜片的第一连接边，第一镜片连接第三镜片的第二连接边以及第二镜片连接第三镜片的第三连接边；所述连接边上固定有一个至多个辅助镜片。
优选地，所述反射镜片为直角三角形、正方形、直角梯形或直角扇形。
优选地，所述第一镜片、第二镜片以及第三镜片两两垂直。
优选地，所述空心角锥反射镜的内表面镀有反射膜。
作为进一步优选地，所述反射膜的厚度为30nm～100nm，所述反射膜的材料为金属或介质中的一种或多种。
优选地，所述连接边上固定有多个辅助镜片，所述多个辅助镜片的间隔小于5mm。
按照本发明的另一方面，还提供了上述空心角锥反射镜的制备方法，包括：
利用模具初步固定第一镜片、第二镜片以及第三镜片，使其两两连接并形成连接边，所述连接边包括第一镜片连接第二镜片的第一连接边，第一镜片连接第三镜片的第二连接边以及第二镜片连接第三镜片的第三连接边；所述模具与所述空心角锥反射镜内部的形状对应；
打磨所述连接边，使所述连接边的表面的平整度大于80nm；
将一个至多个平整度大于80nm的辅助镜片与所述连接边粘接，使所述第一镜片、第二镜片以及第三镜片完全固定；
去除所述模具，获得所述空心角锥反射镜。
优选地，所述制备方法还包括：在所述第一镜片、第二镜片以及第三镜片的内表面镀膜。
作为进一步优选地，所述镀膜的方法为真空溅射法。
优选地，所述模具的材料为玻璃，所述模具的平整度大于80nm，所述模具的二面角精度大于1角秒。
优选地，所述辅助镜片的宽度为5mm～15mm。
优选地，将多个平行设置的辅助镜片与所述连接边粘接，所述多个辅助镜片的间隔小于5mm。
优选地，所述粘接所用的粘接剂包括碱性溶液、环氧树脂、丙烯酸酯或氰基丙烯酸乙酯中的一种或多种。
作为进一步优选地，所述碱性溶液为13％～18％的硅酸钠、氢氧化钠或氢氧化钾。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于通过辅助镜片对空心角锥反射镜进行粘接固定，能够取得下列有益效果：
1、通过在空心角锥反射镜的连接边上设置辅助镜片，使得空心角锥反射镜的反射镜片之间的粘接固定更加均匀牢固，从而提高了空心角锥反射镜的强度；经验证，本发明的空心角锥反射镜在振动测试为2分钟内，随机振动总的功率谱密度积分达到13.6g，冲击测试中经受住了1000g的冲击响应；
2、由于辅助镜片能使得连接边上的连接应力均匀分布，从而提高了空心角锥反射镜的角精度，经验证本发明制备的空心角锥反射镜的二面角精度可达到1角秒；
3、在空心角锥反射镜的口径较大，如大于100mm时，可在连接边上均匀设置多个辅助镜片，从而使得在连接边较长时，仍能保持反射镜片之间的均匀粘结，机械性能较为稳定；
4、本发明中空心角锥反射镜的制备方法不是直接将反射镜片互相连接，而是先将连接边打磨为平面，再与辅助镜片对接，从而对每片反射镜片的侧垂精度没有任何要求，极大减轻了加工的难度，从而提高了制造效率。
附图说明
图1a为本发明空心角锥反射镜俯视图；
图1b为本发明空心角锥反射镜仰视图；
图2为本发明实施例1的空心角锥反射镜的制备方法流程图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-角锥棱镜，2-第一镜片，3-第二镜片，4-玻璃块，5-第三镜片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种空心角锥反射镜的制备方法，该制备方法可以获得比NASA戈达德飞行中心公开的方案更高的二面角精度，且可用于研制更大口径的空心角锥反射镜，从而应用于mm级深空卫星/新一代月球激光测距技术。这对于新一代月球激光测距技术的发展，以及一系列基础引力物理的研究都有重要的意义。
该空心角锥反射镜的制备方法，具体包括以下步骤：
S1.利用模具初步固定第一镜片、第二镜片以及第三镜片，使其两两连接并形成连接边，所述连接边包括第一镜片连接第二镜片的第一连接边，第一镜片连接第三镜片的第二连接边以及第二镜片连接第三镜片的第三连接边；
所述模具与所述空心角锥反射镜内部的形状对应，同时该模具的平整度需大于80nm，二面角精度需优于1角秒，以保证制备获得的空心角锥反射镜的精度；若空心角锥反射镜需在100K～400K的极端温度条件下工作，反射镜片(即第一镜片、第二镜片以及第三镜片)的材料需要选用热膨胀系数达10-7/K的光学玻璃材料，在用于常规条件下时，反射镜片选用BK9光学玻璃或者石英玻璃即可；
初步固定的方法可将反射镜片分别与模具相对按压，使反射镜片与模具之间以范德华力相结合；
S2.打磨所述连接边，使所述连接边的表面的平整度大于80nm；
S3.将宽度为5mm～15mm、且平整度大于80nm辅助镜片分别与所述连接边粘接，使得所述第一镜片、第二镜片以及第三镜片完全固定；当空心角锥反射镜的尺寸较大，用一个辅助镜片可能导致粘接不平整，则可以使用多个平行设置，且间隔小于5mm的辅助镜片进行粘接；粘接所用的粘接剂包括碱性溶液、环氧树脂、光敏胶(成分包括光敏树脂、光敏交联剂和光敏引发剂)或瞬间胶(成分包括氰基丙烯酸乙酯)中的一种或多种；其中，碱性溶液为13％～18％的硅酸钠、氢氧化钠或者氢氧化钾，由于该粘接剂能够耐受高低温循环、强辐射、火箭发射的冲击和振动，从而更加适用于太空环境的空心角锥反射镜；
S4.去除所述模具，并在所述空心角锥反射镜的内表面用真空溅射等方法镀膜，获得所述空心角锥反射镜；去除模具的方法可利用零下的低温冷冻，利用模具和空心角锥反射镜的膨胀系数不同使模具脱离；因此，用该方法去除模具时，所选取的模具的材料与所述反射镜片的材料的膨胀系数一般相差5倍以上；
利用该方法制备的空心角锥反射镜，包括反射镜片以及连接边，如图1所示，所述反射镜片的形状为直角三角形、正方形、直角梯形或直角扇形，所述反射镜片包括两两垂直的第一镜片2、第二镜片3以及第三镜片5，所述连接边包括第一镜片2连接第二镜片3的第一连接边，第一镜片2连接第三镜片5的第二连接边以及第二镜片3连接第三镜片5的第三连接边；所述连接边上固定有一个至多个辅助镜片4；所述空心角锥反射镜的内表面镀有反射膜，所述反射膜的厚度为30nm～100nm，所述反射膜的材料为金属或介质中的一种或多种。
实施例1
本实施例的空心角锥反射镜的制备方法，包括以下步骤，如图2所示：
S1.选取反射镜片：所述反射镜片利用氦氖激光器检测平整度的结果为λ/10(即63.3nm)，形状为50mm×50mm×15mm的直角扇形的石英玻璃镜片，包括第一镜片2、第二镜片3以及第三镜片；
选取模具：该模具为平整度为λ/10，二面角精度为0.3角秒的角锥棱镜1，其形状与预定制备获得的空心角锥反射镜的内部形状相同，材料为BK9玻璃；
S2.将第一镜片2以及第二镜片3分别与模具的两个反射面贴合，用力按压排出镜片与反射面之间的空气，直至未见干涉条纹，使镜片与模具的反射面通过范德华力相对结合，且第一镜片2与第二镜片3之间的缝隙小于1mm；
S3.将第一镜片2以及第二镜片3超出角锥棱镜1的连接边的部分打磨为平整度大于λ/10(@633nm)的平面，以抑制该位置作为粘接面进行粘接之后可能出现的应力，防止制造的空心角锥反射镜发生变形；
S4.将3个平整度大于λ/10(@633nm)，尺寸为6mm×10mm×22mm的小玻璃块4均匀粘接至所述步骤2中打磨的平面上，除平面的顶端与空心角锥反射镜的顶点相邻处留出15mm的空隙，以免小玻璃块4与相邻连接边的小玻璃块4互相碰撞，小玻璃块4的中间间隔为5mm，获得空心角锥反射镜；粘接所用溶液为PH＝14，浓度约为16％的硅酸钠溶液，使用量为0.004μL/mm3；
S5.用同样的方法把同样形状的第三镜片与模具的另一个反射面结合，并与第一镜片2和第二镜片3相互粘接，成为空心角锥反射镜；
S6.在-20℃下冷冻连接有空心角锥反射镜的模具，由于角锥棱镜1与空心角锥反射镜的热膨胀系数不同，导致遇冷收缩的比例不同，从而使空气进入镜片与模具的反射面，最终将空心角锥反射镜从模具上取下；
S7.在空心角锥反射镜的内表面用真空溅射的方法镀上厚度为100nm，材料为金的反射模。
使用三坐标测量机测量制造获得空心角锥反射镜的二面角，发现该空心角锥反射镜的各个二面角的直角精度基本和其对应的角锥棱镜的精度相当，其中2个二面角达到了1角秒级的精度，本实施例的振动和冲击测试数据如表1所示：
表1实施例1的振动和冲击测试数据
由表1和二面角测量数据可知，本实施例的优点主要体现在：1.空心角锥反射镜的研制精度为角秒级别；2.此方法的操作便捷，对口径大于100mm的空心角锥反射镜也适用；3.空心角锥反射镜可经受卫星发射时的振动和冲击，其中振动测试为2分钟内随机振动总的功率谱密度积分达到13.6G，冲击测试中经受住了1000g的冲击响应；4.由于具有较好的机械强度，空心角锥反射镜的每个二面角不会随着时间的推移而发生变化，从而具有较好的使用稳定性。因此，本发明具有制备角秒级精度的空心反射镜的能力。该产品可应用于mm级的深空卫星/新一代月球激光测距
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种空心角锥反射镜，其特征在于，包括反射镜片以及连接边，所述反射镜片包括第一镜片、第二镜片以及第三镜片，所述连接边包括第一镜片连接第二镜片的第一连接边，第一镜片连接第三镜片的第二连接边以及第二镜片连接第三镜片的第三连接边；所述连接边上固定有一个至多个辅助镜片；所述反射镜片为直角三角形、正方形、直角梯形或直角扇形；所述第一镜片、第二镜片以及第三镜片两两垂直。
2.如权利要求1所述的空心角锥反射镜，其特征在于，所述空心角锥反射镜的内表面镀有反射膜。
3.如权利要求2所述的空心角锥反射镜，其特征在于，所述反射膜的厚度为30nm～100nm，所述反射膜的材料为金属或介质中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的空心角锥反射镜，其特征在于，所述连接边上固定有多个辅助镜片，所述多个辅助镜片的间隔小于5mm。
5.如权利要求1-4中任意一项所述空心角锥反射镜的制备方法，其特征在于，
利用模具初步固定第一镜片、第二镜片以及第三镜片，使其两两连接并形成连接边，所述连接边包括第一镜片连接第二镜片的第一连接边，第一镜片连接第三镜片的第二连接边以及第二镜片连接第三镜片的第三连接边；所述模具与所述空心角锥反射镜内部的形状对应；
打磨所述连接边，使所述连接边的表面的平整度大于80nm；
将一个至多个平整度大于80nm的辅助镜片与所述连接边粘接，使所述第一镜片、第二镜片以及第三镜片完全固定；
去除所述模具，获得所述空心角锥反射镜。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，还包括，在所述第一镜片、第二镜片以及第三镜片的内表面镀膜。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述模具的材料为玻璃，所述模具的平整度大于80nm，所述模具的二面角精度大于1角秒。
8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述辅助镜片的宽度为5mm～15mm。
9.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述粘接所用的粘接剂包括碱性溶液、环氧树脂、丙烯酸酯或氰基丙烯酸乙酯中的一种或多种。
10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述碱性溶液为13％～18％的硅酸钠、氢氧化钠或氢氧化钾。
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