CN108205183B - 一种透射式大口径红外透镜、加工工装及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种透射式大口径红外透镜、加工工装及加工方法，解决了大口径透射式主镜难拼接和加工的问题。一种透射式大口径红外透镜，包括镜框、设置在镜框内的多个子镜，子镜包括一个圆形子镜和八个扇形子镜。本发明能够稳定、可靠地完成主镜的拼接及加工，结构件的挡光面积仅占主镜口径的8％，大大降低拼接难度，大幅降低结构件挡光程度，节约成本，易于控制研制周期，防止镜与镜框接触面造成破坏，防止影响主镜面型,加工过程平稳、可靠,能达到较好的平面度和粗糙度,最大尺寸达φ600mm。

Description

一种透射式大口径红外透镜、加工工装及加工方法

技术领域

本发明涉及光学应用技术领域，特别是涉及一种大口径红外透镜及其工装和加工方法。

背景技术

红外系统具有全天候的监视能力，所以其在航空、航天、军工及民用等领域有着十分广泛的应用。

但是透射式红外光学系统由于受限于镜坯材料的尺寸，所以目前的透射式红外系统较可见光系统口径要小的多，欧美等国家的在轨侦查红外系统，口径也一般只做到400mm。

二元光学元件是将周期性的衍射结构制作在基底上，相比传统透镜，二元光学元件具有体积小、重量轻、可折叠、设计自由度多、材料选择性宽等优点。上述特点使得拼接可折叠式二元光学系统成了空间大口径望远镜实施的可行之路。大口径是高成像质量和高分辨率的基本要求，所以各国都在极力地研发自己的大口径二元光学红外系统。

以往传统的拼接主镜的思路是先将各子镜加工好，然后将各子镜按照设计好的拼接形式逐个拼接在一起，这种方法在反射式主镜的拼接中有广泛应用。；虽然这种传统的拼接主镜的思路在透射式主镜拼接时理论上可行，然而透射式主镜的拼接不同于反射式主镜的拼接，透射主镜的拼接需要考虑遮挡，所以主镜镜框设计不能太复杂，这样拼接后的精度直接依赖加工的精度，而由于光学加工误差、结构加工误差及拼接误差累积在一起往往造成拼接主镜不能满足实际成像要求。然而，大口径透射式主镜的拼接和加工的难题却一直没能得到解决。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种大口径红外透镜的拼接与加工方法，该发明能够稳定、可靠地完成主镜的拼接及加工工作，结构件的挡光面积仅占主镜口径的8％，而且结构件的刚度和强度都满足使用要求。

为实现上述目的，本发明所采用的技术解决方案如下：

一种透射式大口径红外透镜，包括镜框、设置在镜框内的多个子镜；其特殊之处是，所述镜框外设置有镜框法兰，所述镜框上设置有多个注胶孔；所述镜框内设置有镜框沉台；所述镜框法兰上设置有多个安装孔；所述子镜边缘设置有子镜沉台；所述镜框沉台与子镜沉台相匹配；所述多个子镜与镜框粘接且一体加工成型。

进一步地，上述子镜包括一个圆形子镜和八个扇形子镜。

进一步地，上述加工工装具体包括平面加工工装和衍射面加工工装；所述平面加工工装包括平面加工工装法兰、设置在法兰内的平面加工工装凹面、设置在法兰上的多个圆周均布的通孔；平面加工工装法兰上的通孔与透射式大口径红外透镜的安装孔一一对应；所述平面加工工装凹面与红外透镜衍射面面型相匹配；所述衍射面加工工装包括衍射面加工工装法兰、设置在法兰内的平面加工工装平面、设置在法兰上的多个圆周均布的通孔；衍射面加工工装法兰上的通孔与透射式大口径红外透镜的安装孔一一对应。

进一步地，上述平面加工工装和衍射面加工工装的背面均设置有动平衡调节装置。

进一步地，上述平面加工工装的背面设置有加强筋；所述衍射面加工工装背面设置有减重结构。

上述透射式大口径红外透镜的加工方法，包括以下步骤：

步骤1：子镜毛坯通过沉台方式搭接在镜框内并粘接，要求：所有子镜毛坯沿镜框轴向的一个端面共面，形成主镜平面；另一个端面形成主镜衍射面，即衍射面；

步骤2：对步骤1所形成的主镜平面和主镜衍射面进行车削加工，形成透射式大口径红外透镜。

进一步地，上述对主镜平面进行车削加工的步骤如下：

1)将平面加工工装水平放置，使与步骤1所述的主镜凸面相适配的平面加工工装凹面向上；

2)将熔融的石蜡置于平面加工工装凹面上，主镜衍射面与平面加工工装凹面配合放置；

3)将镜框与平面加工工装固连；

4)用单点金刚石车床完成拼接主镜平面的车削加工，使加工后反射面型PV≤2λ；

进一步地，上述对主镜衍射面进行车削加工的步骤如下：

1)将衍射面加工工装水平放置，使主镜平面(6)相适配的衍射面加工工装沉孔面向上；

2)将熔融的石蜡置于衍射面加工工装沉孔(13)中，拼接主镜平面(6)向下放置于衍射面加工工装沉孔(13)中；

3)将镜框与衍射面加工工装固连；

4)用单点金刚石车床完成主镜衍射面的车削加工；使加工后衍射环带特征尺寸误差小于5μm。

进一步地，上述λ等于632.8nm。

进一步地，上述平面加工工装的凹面与主镜衍射面之间有0.2mm的间隙；所述衍射面加工工装的沉孔的底部距离主镜平面的距离为0.2mm。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采取先拼接后加工的思路，一方面拼接只需保证基本位置关系，这样可以大大降低拼接的难度；另一方面，整体拼接后再一体加工，不需要调整机构，结构件的挡光程度也会大幅度降低；再者，先拼接后加工不会引入拼接误差，加工后的面型精度即为最终主镜的面型精度，通过控制加工与检测过程的精度，可得到高精度的面型；解决了现有技术中存在的由于光学加工误差、结构加工误差及拼接误差累积导致的拼接主镜不能满足实际成像要求的技术问题。

(2)本发明省去了子镜加工工装、精密拼接工装等的费用，节约成本；另外，主镜研制过程环节减少，易于控制研制周期。

(3)本发明子镜与镜框接触面用光学胶粘接，一方面起到软连接的作用，防止硬连接造成的破坏；另一方面用光学胶连接可防止连接对主镜面型的影响。

(4)本发明中平面加工工装和衍射面加工工装均设计有动平衡调节机构，确保加工过程平稳、可靠。

(5)本发明中主镜框法兰、平面加工工装法兰、以及衍射面加工工装法兰的连接面均采用研磨的方法加工，能达到较好的平面度和粗糙度。

(6)本发明最大尺寸是

附图说明

图1为主镜镜框结构示意图；

图2为主镜镜框立体图；

图3为子镜结构示意图；

图4为子镜结构示意图；

图5为主镜平面图；

图6为主镜衍射面图；

图7为主镜平面加工工装的轴测图；

图8为主镜平面加工工装的后视图；

图9为主镜与平面加工工装连接为一体的示意图；

图10为主镜衍射面加工工装的轴测图；

图11为主镜衍射面加工工装的后视图；

图12为主镜与衍射面加工工装连接为一体的示意图。

其中：1—主镜框沉台；2—注胶孔；3—螺栓通孔；4—主镜框法兰；5—子镜沉台；6—拼接主镜平面；7—主镜衍射面；8—平面加工工装法兰；9—平面加工工装凹面；10—止口；11—复合加强筋；12—动平衡调节机构；13—衍射面加工工装沉孔；14—衍射面加工工装法兰；15—止口；16—减重设计；17—动平衡调节机构。

具体实施方式

本发明将后期拼接改为前期拼接，以往的拼接主镜的思路是先将各子镜加工好，然后将各子镜按照设计好的拼接形式逐个拼接在一起，这种方法在反射式主镜的拼接中有广泛应用。然而透射式主镜的拼接不同于反射式主镜的拼接，透射主镜的拼接需要考虑遮挡，所以主镜镜框设计不能太复杂，这样拼接后的精度直接依赖加工的精度，而光学加工误差、结构加工误差及拼接误差累积在一起往往造成拼接主镜不能满足实际成像要求。将拼接过程放在加工前进行有以下好处：一、可以省去调整机构，拼接主镜的面型直接靠加工来保证；二、由于省去调整机构所以结构件的挡光会大大降低；三、不引入拼接误差，加工后的面型即为最终主镜的面型，所以面型的精度较高。本发明设计的镜框如图1所示，镜框具备对子镜的初定位功能，镜框下方的沉台及上方的压圈与子镜毛坯配合安装，子镜与镜框的接触面用光学胶粘接，一方面起到软连接的作用，防止硬连接造成的破坏，另一方面用光学胶连接可防止连接对主镜面型的影响。

将逐个子镜加工改为拼接镜整体加工，由于本发明的思路是先拼接后加工，所以主镜的加工是整体在单点金刚石车床上进行的。为了加工后得到较高的面型，需要设计相应加工面的夹持结构，本发明设计了平面加工工装和衍射面加工工装，如图7、图10所示。工装的设计重点考虑了以下方面：一、设计动平衡调节机构，确保加工过程平稳、可靠；二、与主镜镜框的无应力连接，防止因连接对主镜的面型产生影响；三、刚度和强度要足够，防止刚度不够导致的加工误差和强度不够导致的加工事故。

平面加工工装设计有复合加强筋，镜框法兰与工装连接法兰面采用研磨的方法加工，以期达到好的平面度和粗糙度，工装与主镜衍射面之间有0.2mm的间隙；衍射面加工工装充分考虑减重、自身强度和刚度及与主镜镜框的稳定连接。衍射面同样设计有兼顾减重的复合加强筋，与主镜连接的面加工有沉孔，沉孔的底部距离主镜平面的距离为0.2mm，沉孔的作用是将主镜平面相对镜框法兰凸起的部分沉到沉孔内，这样会大大降低镜框法兰与工装固连产生的应力传递到主镜上，此外用石蜡做过渡层可避免主镜平面与工装直接接触造成的应力集中从而造成主镜面型精度下降。0.2mm的间隙是综合考虑现有加工手段及石蜡的力学性质确定的。

如图2、图3所示，子镜沉台5与主镜框底部相应的位置1配合，子镜的外边缘面和主镜框的内边缘面涂胶，依次将9片子镜放到主镜框上，然后通过主镜框上的注胶孔2用光学胶将子镜沉台与主镜框沉台粘接，如此便完成了子镜的拼接工作，拼接后的主镜如图2所示。

进行平面车削工作，将平面加工工装水平放置，凹面向上，将熔融的石蜡置于平面加工工装的凹面9上，拼接主镜的衍射面与工装凹面7配合放置，镜框法兰4自然落在工装法兰8上，多余的石蜡排出凸凹面的间隙区，在放置的过程中注意止口(止口起定位功能)与螺栓孔的相对位置，主镜与工装的相对位置确定后，用螺栓将主镜框与工装连接在一起，从而完成主镜与平面加工工装的连接，连接完成后如图9所示。经过上述设计可使镜框与工装的连接处于稳定状态且无应力传递到主镜上。采用设计的平面加工工装在Nanotech 650 FG单点金刚石车床上完成拼接主镜平面的加工，加工后反射面型PV≤2λ(λ＝632.8nm)。

进行衍射面车削工作，将衍射面加工工装水平放置，开有沉孔的面向上，将熔融的石蜡置于沉孔13上，拼接主镜的平面6朝下，主镜法兰4自然落在衍射面加工工装的法兰14上，多余的石蜡排出工装沉孔与主镜平面的间隙区，在放置的过程中注意止口与螺栓孔的相对位置，主镜与工装的相对位置确定后，用螺栓将主镜框与工装连接在一起，从而完成主镜与衍射面加工工装的连接，连接完成后如图12所示。上述设计的连接方法可使主镜框与工装的连接处于无应力传递连接状态。采用设计的衍射面加工工装完成拼接主镜衍射面的加工，加工后衍射环带的尺寸达到了设计要求，环带特征尺寸误差小于5μm。

Claims (9)

1.一种透射式大口径红外透镜，包括镜框、设置在镜框内的多个子镜；其特征在于：所述镜框外设置有镜框法兰，所述镜框上设置有多个注胶孔；所述镜框内设置有镜框沉台；所述镜框法兰上设置有多个安装孔；所述子镜边缘设置有子镜沉台；所述镜框沉台与子镜沉台相匹配；所述多个子镜与镜框粘接且一体加工成型。

2.根据权利要求1所述的透射式大口径红外透镜，其特征在于：所述子镜包括一个圆形子镜和八个扇形子镜。

3.一种透射式大口径红外透镜加工工装，其特征在于：包括平面加工工装和衍射面加工工装；所述平面加工工装包括平面加工工装法兰、设置在法兰内的平面加工工装凹面、设置在法兰上的多个圆周均布的通孔；平面加工工装法兰上的通孔与透射式大口径红外透镜的安装孔一一对应；所述平面加工工装凹面与红外透镜衍射面面型相匹配；所述衍射面加工工装包括衍射面加工工装法兰、设置在法兰内的平面加工工装平面、设置在法兰上的多个圆周均布的通孔；衍射面加工工装法兰上的通孔与透射式大口径红外透镜的安装孔一一对应。

4.根据权利要求3所述的透射式大口径红外透镜加工工装，其特征在于：所述平面加工工装和衍射面加工工装的背面均设置有动平衡调节装置。

5.根据权利要求3所述的透射式大口径红外透镜加工工装，其特征在于：所述平面加工工装的背面设置有加强筋；所述衍射面加工工装背面设置有减重结构。

6.权利要求1或2所述的透射式大口径红外透镜的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：子镜毛坯通过沉台方式搭接在镜框内并粘接，要求：所有子镜毛坯沿镜框轴向的一个端面共面，形成主镜平面；另一个端面形成主镜衍射面，即衍射面；

步骤2：对步骤1所形成的主镜平面和主镜衍射面进行车削加工，形成透射式大口径红外透镜。

7.根据权利要求6所述的加工方法，其特征在于，对主镜平面进行车削加工的步骤如下：

1)将平面加工工装水平放置，使与步骤1所述的主镜凸面相适配的平面加工工装凹面向上；

2)将熔融的石蜡置于平面加工工装凹面上，主镜衍射面与平面加工工装凹面配合放置；

3)将镜框与平面加工工装固连；

4)用单点金刚石车床完成拼接主镜平面的车削加工，使加工后反射面型PV≤2λ；

对主镜衍射面进行车削加工的步骤如下：

1)将衍射面加工工装水平放置，使主镜平面(6)相适配的衍射面加工工装沉孔面向上；

2)将熔融的石蜡置于衍射面加工工装沉孔(13)中，拼接主镜平面(6)向下放置于衍射面加工工装沉孔(13)中；

3)将镜框与衍射面加工工装固连；

4)用单点金刚石车床完成主镜衍射面的车削加工；使加工后衍射环带特征尺寸误差小于5μm。

8.根据权利要求7所述的加工方法，其特征在于：所述λ等于632.8nm。

9.根据权利要求6所述的加工方法，其特征在于：所述平面加工工装的凹面与主镜衍射面之间有0.2mm的间隙；所述衍射面加工工装的沉孔的底部距离主镜平面的距离为0.2mm。