CN111847852A - 龙虾眼光学器件球面成形系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种龙虾眼光学器件球面成形系统与方法，包括加热炉、球面成形工装、加压系统、真空泵。加压系统包括电机以及电机驱动的丝杆，丝杠的下端通过金属缆绳连接一配重压盘，配重压盘位于球面成型工装的正上方，并可由所述丝杠驱动上下移动。球面成型工装包括热弯上模具、热弯下模具和底座，通过丝杠带动配重压盘下压热弯上模具进行球面热弯成型。球面成型工装为铝陶瓷材质，热弯上模具、热弯下模具的表面形成有微米级圆孔阵列，在热弯成型过程中通过对加热炉内抽真空处理使得龙虾眼型微孔光学元件在软化贴合模具过程中两者之间不产生气泡，同时通过表面的复合膜层防止热弯贴合时与模具发生粘连。
Description
技术领域
本发明涉及龙虾眼光学器件技术领域，具体而言涉及一种龙虾眼光学器件球面成形系统。
背景技术
龙虾眼光学器件是一种基于龙虾眼仿生学原理的X射线光学器件，其主要由几百万个方形微孔阵列制作而成。由于其轻质量化的巨大优势，符合未来天文望远镜追求的主流趋势，可广泛应用于空间科学。
龙虾眼光学器件主要采纳微通道板制作方式进行制作加工的，加工材质为玻璃，但与微通道板存在不同，其主要是方形微孔结构，且未具有一定曲率半径的球面。对于这种特定曲率半径的球面光学器件来说，需采用特定技术制作出这种球面形状。
针对玻璃材质来说，热弯球面成型技术可以实现上述球面结构。结合玻璃材料的特殊性质在高温下通过特定方式将其弯曲成特定曲率半径的球面。对于龙虾眼光学器件来说，其球面成形的复杂程度更高，需确保光学器件内部的数百万个方形微通道指向同一个球心，这关系到最后的射线聚焦性能。在球面成形过程中，球面工装是其重要组成部分，因为在球面成形过程中，龙虾眼光学器件复制的形状来源就是球面工装，这关系到最重成形后的面形和曲率半径数值。为此球面工装成为一个不可忽视的影响因素。
在现有的龙虾眼光学器件球面成形过程中，高温环境是必备，其需将玻璃材质加热到可变形温度区，采用外加力的作用将龙虾眼光学器件缓慢贴合球面工装，这需要对工装和玻璃材质的热膨胀系数进行考虑，确保两者的热膨胀系数可匹配，同时在器件贴合模具过程中工装表面与玻璃材质容易夹杂气泡存在，这对于后续成形后的面形有很大影响。
目前国际上针对龙虾眼光学器件球面成形技术主要采用不锈钢材质，不锈钢材质的热膨胀系数高，影响最终成形后的曲率半径，同时出现玻璃粘结模具现象。在加工过程中无法实现超高精度的球面面形参数，使得龙虾眼光学器件经过球面成形后的球面质量较差，曲率半径等与设计值存在较大差距，最终影响X射线聚焦性能。
现有技术文献：
专利文献1：CN105110610A掠入射型微孔x射线光学元件的热弯装置
发明内容
本发明目的在于提供一种龙虾眼光学器件球面成形系统与方法，在龙虾眼光学器件球面成形过程中可避免气泡和玻璃粘连的缺陷，提高球面成型的质量。
为实现上述目的的第一方面提出一种龙虾眼光学器件球面成形系统，包括：
加热炉；
球面成形工装，设置在加热炉内部中心位置的等温区内；
加压系统，通过支架安装在加热炉的上方，并且通过开口波纹管与加热炉连通；
真空泵，被设置与所述加热炉连接，用于对加热炉进行抽真空；
其中，所述加压系统包括电机以及电机驱动的丝杆，所述丝杆穿过所述开口波纹管进入所述加热炉内，所述丝杠的下端通过金属缆绳连接一配重压盘，配重压盘位于球面成型工装的正上方，并可由所述丝杠驱动上下移动；
所述球面成型工装包括热弯上模具、热弯下模具和底座，热弯下模具放置在底座内，随后将待加工的龙虾眼型微孔光学元件中心对称地放置进热弯下模具内，随后放置热弯上模具，通过所述丝杠带动配重压盘下压热弯上模具进行球面热弯成型；
其中，所述球面成型工装为铝陶瓷材质，热弯上模具、热弯下模具为上下凹凸模具，所述热弯上模具、热弯下模具的表面形成有微米级圆孔阵列，在热弯成型过程中通过对加热炉内抽真空处理使得龙虾眼型微孔光学元件在软化贴合模具过程中两者之间不产生气泡。
优选地，所述铝陶瓷材质的球面成型工装上通过微纳加工形成数百万个微米级圆孔阵列，圆孔的直径为2微米，圆孔之间的间距小于2微米。
优选地，所述铝陶瓷材质的球面成型工装的微米级圆孔阵列布满模具表面。
优选地，所述热弯上模具、热弯下模具的模具表面为面形RMS小于0.05λ的光滑球面。
优选地，所述热弯上模具和热弯下模具的光滑球面上镀制有复合膜层，包括底层的铬膜以及在铬膜的表面的铂膜。
优选地，所述铂膜的厚度为60-70nm，铬膜厚度为8nm。
优选地，所述系统还包括一位移监测模块，用于监控配重压盘向下移动的距离，并且响应于所述距离不再变化时控制停止下压。
优选地，所述配重压盘采用三点式悬挂方式以保持配重压盘的水平状态。
优选地，在配重压盘上端面设置三个成三角形分布的点，三点采用螺丝旋钮与金属缆绳连接，螺丝旋钮用于水平度调节，使配重压盘保持水平；金属缆绳向上与一三角支架相连接，三角支架的另一端通过一根金属缆绳与丝杠连接。
根据本发明的第二方面还提出一种龙虾眼光学器件球面成形方法，包括以下步骤：
对球面成形工装进行清洁；
将待成型的龙虾眼光学器件放入热弯下模具，然后再压上热弯上模具，放入加热炉内的等温区进行加热；
当温度升温到400摄氏度时开启真空泵，进入抽真空模式，将真空度保持在40Pa；
当温度升温到设定温度时，进入保温阶段；
保温5h后控制电机驱动丝杠进行加压，通过配重压盘向球面成形工装加压，加压时间为4-6h，驱动龙虾眼龙虾眼光学器件贴合光滑球面，实现龙虾眼光学器件的形状复制；其中加压过程中温度和真空度保持恒定；
在加压过程中，监测配重压盘的下移量，当监测到配重压盘下移量不再增加时，即表明龙虾眼光学器件完全贴合球面成形工装，不再施加向下压力，然后进入保压状态，维持球面成形工装上现有的压力数值，时间4h，保持龙虾眼光学元件完整贴合模具；
保压结束后，进行加压处理，卸载加载到球面成形工装上的压力；
启动降温程序，以恒定的降温速率降温至室温。
由此，本发明的龙虾眼器件球面成型系统的显著优点在于：
1、采用铝陶瓷材质的模具材料，材质的热膨胀系数小，耐温系数高，同时结合模具球面的复合膜层，使得工装与光学器件之间具有保护层，减少和消除在高温软化贴合模具过程中的粘连；
2、工装为凹凸组合球面，通过精密微纳加工方法对表面进行微孔阵列加工，随后进行光学加工形成具有一定曲率半径的球面模具，在进行球面成形过程中通过抽真空方式确保龙虾眼光学器件在软化贴合模具过程中两者之间不会产生气泡，影响提高成型面形质量；
3、采用精密监控的方式，一方面采用光栅尺结合丝杠进行加压驱动运动以及对应的下压的移动距离实时监测，另一方面采用金属缆绳+配重压块的方式进行加压，避免传统的直接刚性加压带来对玻璃施压过度，导致玻璃热弯过度的问题，而热弯过度后，由于模具采用的凹凸设计，具有不可逆性，直接造成废品率高，难以实现紧密控制。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是本发明的实施例的龙虾眼光学器件球面成型系统的示意图。
图2是本发明的实施例的加压系统的示意图。
图3是本发明的实施例的配重压块的示意图。
图4是本发明的实施例的配重压块上的螺丝旋钮的示意图。
图5是本发明的实施例的热弯上下模具的示意图。
图6是本发明的实施例的热弯上下模具的的模具球面镀制双层膜的示意图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
结合图1-图6所示，根据本发明的实施例的龙虾眼光学器件球面成形系统包括加热炉10、球面成形工装20、加压系统30、真空泵40以及控制器60。控制器60用于整体上控制球面成形系统的各个部分的工作，例如对加热炉、真空泵、加压系统的控制。
球面成形工装20设置在加热炉内部中心位置的等温区内。
加压系统30，通过支架50安装在加热炉10的上方，并且通过开口波纹管与加热炉连通。
真空泵40，被设置与加热炉10连接，用于对加热炉进行抽真空处理。
结合图1、2，加压系统30包括电机31以及电机驱动的丝杆32，丝杆32穿过开口波纹管进入加热炉10的内部，丝杠32的下端通过金属缆绳33连接一配重压盘35，配重压盘35位于球面成型工装的正上方，并可由丝杠驱动上下移动。
优选地，电机31与丝杠之间采用套筒式工装进行结合，其丝杠的材质为耐高温的镍铬合金。
球面成型工装20包括热弯上模具21、热弯下模具22和底座，热弯下模具放置在底座内，随后将待加工的龙虾眼型微孔光学元件中心对称地放置进热弯下模具内，随后放置热弯上模具，通过丝杠32带动配重压盘35下压热弯上模具进行球面热弯成型。
球面成型工装为铝陶瓷材质，热弯上模具21、热弯下模具22为上下凹凸模具，热弯上模具、热弯下模具的表面形成有微米级圆孔阵列，在热弯成型过程中通过对加热炉内抽真空处理使得龙虾眼型微孔光学元件在软化贴合模具过程中两者之间不产生气泡。
优选地，铝陶瓷材质的球面成型工装上通过微纳加工形成数百万个微米级圆孔阵列，圆孔的直径为2微米，圆孔之间的间距小于2微米。
铝陶瓷材质的球面成型工装的微米级圆孔阵列布满模具表面。
在可选的实施例中，热弯上模具、热弯下模具的模具表面为面形RMS小于0.05λ的光滑球面。
优选地，热弯上模具和热弯下模具的光滑球面上镀制有复合膜层，包括底层的铬膜以及在铬膜的表面的铂膜。铂膜的厚度为60-70nm，铬膜厚度为8nm。
在可选的实施例中，本发明使用的铝陶瓷材质热弯模具的制备过程如下：
1.采用铝陶瓷材质作为原材料进行球面工装制作；
2.将铝陶瓷材料加工成直径150mm，厚度20mm的圆柱体；
3.在铝陶瓷圆柱体的表面进行微纳加工，将其表面加工出具有数百万个直径2微米的贯穿的圆孔，形成圆孔阵列，圆孔的间距不大于2微米，布满整个表面；
4.对于微纳加工后的模具表面进行精密光学冷加工工艺处理，加工获得符合设计要求的曲率半径(800mm)，面形RMS小于0.05λ的光滑球面；
5.对加工后的光滑球面进行表面镀膜处理，镀膜方式为磁控溅射，在光滑球面表面先镀制一层8纳米的铬膜，随后在铬膜上再镀制一层60-70纳米的铂膜。金属铂，镀制在金属膜层铬上。由此，首先在球面上先形成一层铬膜吸附层，增加后续膜层的附着力，保护膜层。然后在镀金属铂膜，金属铂膜的作用在于使得微孔光学元件在特定的高温环境下与球面模具起到隔离作用，避免出现玻璃与模具粘结现象。第一层金属铬膜的作用在于作为第二层金属膜层的衬底，起到吸附模具表面，增加膜层与模具基底的吸附力。
优选地，上述复合膜层的镀制方法如下：
采用双靶磁控溅射法进行膜层镀制，优点在于薄膜的成分可以进行灵活设计。靶材铬靶和铂靶的厚度均为0.6mm，直径10mm左右。
镀膜的靶材功率需保持在100-500W之间，镀制的沉积腔体内的真空压力优于10-7Pa,镀膜的沉积时间在30min左右。
在镀制过程中,模具随靶台旋转,依次快速处于铬靶和铂靶的沉积范围之内,从而制备双层膜。模具镀制的第一层膜为铬膜，膜层厚度8纳米，第二层膜为铂膜，膜层厚度60-70纳米，形成双层膜结构。
在本发明的实施例中，系统还包括一位移监测模块，例如光栅尺，用于监控配重压盘向下移动的距离，并且响应于距离不再变化时控制停止下压。
由此，通过光栅尺与电机相结合，精准测量配重压盘向下运动的距离。光栅尺与伺服系统构成位移监测系统，实时记录向下移动的距离，即下方压盘向下移动的数值，以反馈至控制系统。当位移监测系统监测到配重压盘向下移动的距离不再进行增加时，此时刻判定光学器件与模具刚好完整贴合，无需再次增加压力迫使光学元件贴合，进入保压工作，维持当前压力值，进入保压阶段。
结合图示，配重压盘40采用三点式悬挂方式以保持配重压盘的水平状态。配重压盘可与球面模具进行接触，实行加压。
优选地，配重压盘40的上端面设置三个成三角形分布的点，三点采用螺丝旋钮36与金属缆绳连接，然后向上通过一个单根的金属缆绳连接到丝杆上。
在另外的实施例中，在配重压盘35上端面设置三个成三角形分布的点，三点采用螺丝旋钮与金属缆绳连接，螺丝旋钮用于水平度调节，使配重压盘保持水平；金属缆绳向上与一三角支架34相连接，三角支架34的另一端通过一根金属缆绳与丝杠32连接。
优选地，金属缆绳采用耐高温缆绳，例如金属钢缆缆绳连接配重压盘，通过配重压盘实现球面成形压力控制，压盘重量优选在40-60kg。耐高温缆绳直径2mm-5mm。
结合上述实施例，利用球面成型系统实现的龙虾眼光学器件球面成形方法，包括以下步骤：
对球面成形工装进行清洁；
将待成型的龙虾眼光学器件放入热弯下模具，然后再压上热弯上模具，放入加热炉内的等温区进行加热；
当温度升温到400摄氏度时开启真空泵，进入抽真空模式，将真空度保持在40Pa；
当温度升温到设定温度时，进入保温阶段；
保温4-5h后控制电机驱动丝杠进行加压，通过配重压盘向球面成形工装加压，加压时间为4-6h，驱动龙虾眼龙虾眼光学器件贴合光滑球面，实现龙虾眼光学器件的形状复制；其中加压过程中温度和真空度保持恒定；
在加压过程中，监测配重压盘的下移量，当监测到配重压盘下移量不再增加时，即表明龙虾眼光学器件完全贴合球面成形工装，不再施加向下压力，然后进入保压状态，维持球面成形工装上现有的压力数值，时间4h，保持龙虾眼光学元件完整贴合模具；
保压结束后，进行降压处理，卸载加载到球面成形工装上的压力；
启动降温程序，以恒定的降温速率降温至室温。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (10)
1.一种龙虾眼光学器件球面成形系统，其特征在于，包括：
加热炉；
球面成形工装，设置在加热炉内部中心位置的等温区内；
加压系统，通过支架安装在加热炉的上方，并且通过开口波纹管与加热炉连通；
真空泵，被设置与所述加热炉连接，用于对加热炉进行抽真空；
其中，所述加压系统包括电机以及电机驱动的丝杆，所述丝杆穿过所述开口波纹管进入所述加热炉内，所述丝杠的下端通过金属缆绳连接一配重压盘，配重压盘位于球面成型工装的正上方，并可由所述丝杠驱动上下移动；
所述球面成型工装包括热弯上模具、热弯下模具和底座，热弯下模具放置在底座内，随后将待加工的龙虾眼型微孔光学元件中心对称地放置进热弯下模具内，随后放置热弯上模具，通过所述丝杠带动配重压盘下压热弯上模具进行球面热弯成型；
其中，所述球面成型工装为铝陶瓷材质，热弯上模具、热弯下模具为上下凹凸模具，所述热弯上模具、热弯下模具的表面形成有微米级圆孔阵列，在热弯成型过程中通过对加热炉内抽真空处理使得龙虾眼型微孔光学元件在软化贴合模具过程中两者之间不产生气泡。
2.根据权利要求1所述的龙虾眼光学器件球面成形系统，其特征在于，所述铝陶瓷材质的球面成型工装上通过微纳加工形成数百万个微米级圆孔阵列，圆孔的直径为2微米，圆孔之间的间距小于2微米。
3.根据权利要求1所述的龙虾眼光学器件球面成形系统，其特征在于，所述铝陶瓷材质的球面成型工装的微米级圆孔阵列布满模具表面。
4.根据权利要求1所述的龙虾眼光学器件球面成形系统，其特征在于，所述热弯上模具、热弯下模具的模具表面为面形RMS小于0.05λ的光滑球面。
5.根据权利要求1所述的龙虾眼光学器件球面成形系统，其特征在于，所述热弯上模具和热弯下模具的光滑球面上镀制有复合膜层，包括底层的铬膜以及在铬膜的表面的铂膜。
6.根据权利要求5所述的龙虾眼光学器件球面成形系统，其特征在于，所述铂膜的厚度为60-70nm，铬膜厚度为8nm。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的龙虾眼光学器件球面成形系统，其特征在于，所述系统还包括一位移监测模块，用于监控配重压盘向下移动的距离，并且响应于所述距离不再变化时控制停止下压。
8.根据权利要求1所述的龙虾眼光学器件球面成形系统，其特征在于，所述配重压盘采用三点式悬挂方式以保持配重压盘的水平状态。
9.根据权利要求8所述的龙虾眼光学器件球面成形系统，其特征在于，在配重压盘上端面设置三个成三角形分布的点，三点采用螺丝旋钮与金属缆绳连接，螺丝旋钮用于水平度调节，使配重压盘保持水平；金属缆绳向上与一三角支架相连接，三角支架的另一端通过一根金属缆绳与丝杠连接。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的龙虾眼光学器件球面成形系统的龙虾眼光学器件球面成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
对球面成形工装进行清洁；
将待成型的龙虾眼光学器件放入热弯下模具，然后再压上热弯上模具，放入加热炉内的等温区进行加热；
当温度升温到400摄氏度时开启真空泵，进入抽真空模式，将真空度保持在40Pa；
当温度升温到设定温度时，进入保温阶段；
保温后控制电机驱动丝杠进行加压，通过配重压盘向球面成形工装加压，加压时间为4-6h，驱动龙虾眼龙虾眼光学器件贴合光滑球面，实现龙虾眼光学器件的形状复制；其中加压过程中温度和真空度保持恒定；
在加压过程中，监测配重压盘的下移量，当监测到配重压盘下移量不再增加时，即表明龙虾眼光学器件完全贴合球面成形工装，不再施加向下压力，然后进入保压状态，维持球面成形工装上现有的压力数值，时间4h，保持龙虾眼光学元件完整贴合模具；
保压结束后，进行降压处理，卸载加载到球面成形工装上的压力；
启动降温程序，以恒定的降温速率降温至室温。
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