CN112537904B - 用于龙虾眼微孔光学元件的气体加压精密球面成形装置与成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于龙虾眼微孔光学元件的气体加压精密球面成形装置与成形方法，包括控制装置、氮气存储装置、压力控制器、真空加热炉、球面模具、气体加压装置以及真空泵。气体加压装置与球面模具的上模具相对的一面布设有数百万垂直微孔结构，氮气经垂直微孔结构对模具进行压力施加，迫使上模具向下移动使得龙虾眼微孔光学元件弯曲成形。本发明在方形微孔聚焦光学元件的制作上，采用特殊的模具材料和镀膜技术确保在高温的球面成形过程中方形微孔光学元件工件与模具不出现粘连，并且在球面成形过程中采用气体压力控制来控制光学元件弯曲，抑制降温过程中从粘弹体到弹性体过程中的回弹现象，减轻由于回弹对于最终成形后的曲率半径变化。

Description

用于龙虾眼微孔光学元件的气体加压精密球面成形装置与成 形方法

技术领域

本发明涉及微孔光学元件技术领域，尤其是方形龙虾眼微孔聚焦光学元件，具体而言涉及一种用于方形微孔聚焦光学元件的气体加压精密球面成形装置与成形方法。

背景技术

20世纪70年代，Angel首次提出基于龙虾眼仿生学结构的天文望远镜模型，自此龙虾眼光学器件开始应用到天文观测领域，并由此取得一定的成果。龙虾眼光学器件代表性的是微孔光学元件(Micro pore optics)。微孔光学元件是一种掠入射光学元件，其由几百万个方形玻璃微通道按照特定规律排列组成，可通过微通道内壁的全反射进行X射线聚焦成像。其独特的结构和轻量化的优势成为现今X射线天文探测领域光学望远镜的一个重要选择。

微孔光学元件(微孔光学元件)的组成物质为玻璃材质，其制作工序繁多且复杂。在众多工序中，球面成形工序极其重要。该工序需将平面形状的微孔光学元件通过一定技术弯曲成具有一定曲率半径的球面微孔光学元件，内部几百万个方形微通道均指向同一球心，且微孔不能存在任何破损现象。微孔光学元件球面成形后的面形十分重要，球面成形后微孔光学元件需为一个较为理想球面，微孔光学元件球面面形与理想值的偏差关系到后续微孔光学元件的射线聚焦成像质量。现今微孔光学元件进行球面成形过程中，精密加压对于最终球面成形至关重要，其影响最终的面形质量。其精密加压时主要是采用刚性直杆连接模具进行压力加载，但在实际过程中由于高温环境的影响，刚性物体的膨胀不一，很容易造成压力加载出现偏心及倾斜现象，成形过程中斜向压力对微孔光学元件内部通道产生一个畸变，进而影响最终的成像质量。

同时，在镜片最终成形后会工件进行降温过程中出现回弹现象，易造成冷态后镜片的最终面形与要求值存在很大差距，为减轻回弹现象，需在降温过程中进行特殊处理以保证面形波动偏差。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于方形微孔聚焦光学元件的气体加压精密球面成形装置，采用采用气体加压以及与专用工装配合的球面成形技术将平面微孔光学元件精准弯曲成一定曲率半径的球面微孔光学元件，确保几百万的方形微孔通道方向均指向球心。

为实现上述目的，本发明提出一种用于方形微孔聚焦光学元件的气体加压精密球面成形装置，包括控制装置、氮气存储装置、压力控制器、真空加热炉、球面模具、气体加压装置以及真空泵；

所述球面模具包括上模具和下模具，位于真空加热炉内部；所述上模具和下模具均具有预设的曲率半径，下模具内放置待球面成形处理的龙虾眼微孔光学元件；

所述真空泵与真空加热炉连接，用于保持真空加热炉内部的真空度；

所述压力控制器用于控制氮气存储装置通过气体管道向气体加压装置输送氮气以对气体加压装置施加压力，在保持气体加压装置与上模具之间的间距小于等于预设阈值时通过氮气推动上模具朝向下模具运动；

所述控制装置被设置成用于控制压力控制器的压力调节、控制真空加热炉的加热温度以及真空泵的运行；

其中，所述气体加压装置与球面模具的上模具相对的一面布设有数百万垂直微孔结构，所述氮气存储装置输送至气体加压工装内的氮气经垂直微孔结构对上模具进行压力施加，进而迫使上模具向下移动使得下模具内放置的龙虾眼微孔光学元件弯曲成形。

其中，所述气体加压装置包括主体部、由主体部限定出的内部的氮气腔体和至少一个氮气通道接口，主体部的顶部与真空加热炉的顶部采用螺母固定的刚性平行连接；氮气腔体通过氮气通道接口与所述气体管道连通，主体部的底部的垂直微孔结构与氮气腔体连通。

其中，所述气体加压装置具有至少两个氮气通道接口。

其中，所述主体部的底部的边缘形成一可包裹上模具的台阶结构，气体加压装置被设置成在通入氮气加压后，推动上模具在台阶结构包裹的位置下方朝向下模具垂直运动，推动龙虾眼微孔光学元件贴合下模具，实现球面成形。

其中，所述控制装置被设置成通过调节氮气的气体流速以调节向上模具的加压，将上模具垂直且均匀的向下推动。

其中，所述气体管道设置有气体流量计。

其中，所述球面模具为采用碳化硅材质制作形成具有一定曲率半径的球面模具，所述球面模具的内表面包括经过镀膜处理形成的铬-铂复合膜层，其中金属铬膜与球面模具的内表面结合，金属铂膜镀制在金属铬膜上，形成复合膜层。

其中，所述金属铬膜的膜层厚度为20nm，所述金属铂膜的膜层厚度为100nm。

其中，所述铬-铂复合膜层采用双靶磁控溅射法在球面模具上进行原位膜层镀制。

根据本发明还提出一种利用上述气体加压精密球面成形装置的龙虾眼微孔光学元件精密球面成形方法，包括以下步骤：

步骤1、将待成形的方形微孔光学元件放置进球面模具内，随后放置进真空加热炉内部的中心指定位置；

步骤2、真空加热炉进行升温，当温度到达第一阈值T1时对真空加热炉内部抽真空并持续进行升温，直到炉内温度达到第二阈值T2并且炉内真空度达到预设值，进入保温阶段，保温2小时以上；

步骤3、控制启动气体加压，将氮气存储装置中的氮气通过气体管道向气体加压装置输送，通过氮气推动上模具朝向下模具运动；其中将氮气的流速在8小时内从0匀速逐渐增加到2000毫升/分钟，以保持加载在上模具的压力均匀逐渐增加到20kg，逐步推动球面模具挤压方形微孔光学元件，实现光学元件与成形模具的贴合，该阶段为加压阶段；

步骤4、当加载在上模具的压力达到设定值时进入保压阶段，维持加载到球面模具上的气体压力，保压时间5小时，保持方形微孔光学元件完整贴合模具；

步骤5、保压阶段结束后进入降压和降温阶段，卸去加载在球面模具上的压力，其中将氮气流速减少至50毫升/分钟，将加载在球面模具上的压力保持在0.5kg数值，维持球面成形；并且以预设的降温速率进行降温，直到室温。

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是本发明示例性实施例气体加压精密球面成形装置的示意图。

图2是本发明示例性实施例的气体加压装置的示意图。

图3是本发明示例性实施例的球面模具的示意图。

图4是本发明示例性实施例的球面模具的实物效果示意图。

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4所示，根据本发明示例性实施例的用于方形微孔聚焦光学元件的气体加压精密球面成形装置，包括控制装置10、氮气存储装置20、压力控制器30、真空加热炉40、球面模具50、气体加压装置60以及真空泵70。

结合图3、4，球面模具50包括上模具51和下模具52，位于真空加热炉内部。所述上模具和下模具均具有预设的曲率半径，下模具内放置待球面成形处理的龙虾眼微孔光学元件100。

本发明的实施例中，球面模具50为采用碳化硅材质制作形成具有一定曲率半径的球面模具，曲率半径的选择可基于需要制备的龙虾眼微孔光学原件(MPO)的曲率确定。本发明的实施例中，球面曲率半径数值为800mm。球面模具50作为球面成形模具，材质选择碳化硅材质，材质的热膨胀系数低，不易变形和膨胀，由于本发明对微孔光学元件的球面成形操作在高真空和温度变化差异大情况下实现，利用碳化硅模具能在温差较大的条件下保持原来的形状。

结合图4，球面模具50的内表面包括经过镀膜处理形成的铬-铂复合膜层，其中金属铬膜与球面模具的内表面结合，金属铂膜镀制在金属铬膜上，形成复合膜层。其中，所述金属铬膜的膜层厚度为20nm，所述金属铂膜的膜层厚度为100nm。

优选地，铬-铂复合膜层采用双靶磁控溅射法在球面模具上进行原位膜层镀制。采用双层镀膜方式，为两种材质。一种材料为金属铬，镀制在模具内表面，另一种材料为金属铂，镀制在金属膜铬膜层上。

作为可选的方式，膜层的具体镀制方法如下：

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^{- 7}Pa，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20纳米，第二层膜为铂膜，膜层厚度100纳米，形成双层膜结构。

本发明的实施例中，利用金属铂膜，使得微孔光学元件在特定的高温环境下与球面成形模具起到隔离作用，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铂膜的衬底，吸附模具表面，增加膜层与模具基底的吸附力。

结合图1，真空泵与真空加热炉连接，用于保持真空加热炉内部的真空度。

压力控制器，用于控制氮气存储装置20通过气体管道21向气体加压装置60输送氮气，以对气体加压装置施加压力，在保持气体加压装置60与上模具之间的间距小于等于预设阈值时通过氮气推动上模具朝向下模具运动。

气体管道21采用镍基单晶高温合金，耐高温，气体管道与气体加压装置相连接，气体管道直径2cm。

控制装置被设置成用于控制压力控制器的压力调节、控制真空加热炉的加热温度以及真空泵的运行。

结合图1、2，气体加压装置60与球面模具50的上模具相对的一面布设有数百万垂直微孔结构64，氮气存储装置20输送至气体加压工装内的氮气经垂直微孔结构对上模具进行压力施加，进而迫使上模具向下移动使得下模具内放置的龙虾眼微孔光学元件弯曲成形。

结合图2，气体加压装置60包括主体部61、由主体部限定出的内部的氮气腔体63和至少一个氮气通道接口62，主体部的顶部与真空加热炉的顶部采用螺母固定的刚性平行连接；氮气腔体63通过氮气通道接口与所述气体管道连通，主体部的底部的垂直微孔结构与氮气腔体连通。如此，当氮气充入气体加压装置内，气加压装置与上模具的之间的距离为0.5mm，极小间隙确保气压可推动上模具运动。气体加压装置特殊性在于与球面模具接触的一面布有数百万的锤子微孔结构，气体加压装置内的氮气经微孔对球面模具进行压力施加，进而迫使上模具向下移动，使得模具内的龙虾眼微孔光学元件弯曲并缓慢贴合在模具上，形成特定的曲率半径，实现球面成形。

在球面成形后，通过降温程序控制进行工件降温，消除产生的残余应力。

在整个球面成形过程中采用真空抽气方式，即在真空环境下完成整个球面成形工序。

为实现真空环境及贴合程度，球面模具采用碳化硅材质，并且为进一步保障球面成形过程中光学元件的完整性，球面模具的表面镀制双层纳米级的复合金属膜层，确保在高温的球面成形过程中方形微孔光学元件与模具不出现粘连。

优选地，气体加压装置60采用耐高温不变形的可伐合金制作。

其中气体加压装置60具有至少两个氮气通道接口。尤其是，气体管道设气体流量计65，利用气体管道设置的气体流量计以监测控制气体流量，气体流量信号反馈回控制装置。控制装置通过实现对气体流量控制以改变加载在模具上的成形压力进而改变球面成形。即通过控制装置10在加压球面成形过程中实现气体流量调节和压力调节，控制气体流量计来调节氮气的气体流速以调节向上模具的加压，将上模具垂直且均匀的向下推动。

优选地，为实现较高的球面面形质量，本发明结合图1、2所示采用气体球面成形压力加载方式。当微孔光学元件已升温至可变形温度(即下述的第二阈值T2,600摄氏度)时，向气体加压装置内充入气体，通过气压推动上模具，通过调节气体流速气压将球面成形模具垂直且均匀的向下推动，实现微孔光学元件镜片缓慢贴合下模具，实现整个球面成形操作。加载的气压保持一定时间后，卸去绝大部分压力保持微小气压，并进行降温程序。

结合图1、2，主体部的底部的边缘形成可包裹上模具的台阶结构54，气体加压装置被设置成在通入氮气加压后，推动上模具在台阶结构包裹的位置下方朝向下模具垂直运动，推动龙虾眼微孔光学元件贴合下模具，实现球面成形。

下面结合图示的气体加压精密球面成形装置，更加具体地描述利用其实现龙虾眼微孔光学元件精密球面成形方法，包括以下步骤：

步骤1、将待成形的方形微孔光学元件放置进球面模具内，随后放置进真空加热炉内部的中心指定位置；

步骤2、真空加热炉进行升温，当温度到达第一阈值T1(例如200摄氏度)时对真空加热炉内部抽真空并持续进行升温，直到炉内温度达到第二阈值T2(例如600摄氏度)并且炉内真空度达到预设值，进入保温阶段，保温2小时以上；

步骤3、控制启动气体加压，将氮气存储装置中的氮气通过气体管道向气体加压装置输送，通过氮气推动上模具朝向下模具运动；其中将氮气的流速在8小时内从0匀速逐渐增加到2000毫升/分钟，以保持加载在上模具的压力均匀逐渐增加到20kg，逐步推动球面模具挤压方形微孔光学元件，实现光学元件与成形模具的贴合，该阶段为加压阶段；

步骤4、当加载在上模具的压力达到设定值时进入保压阶段，维持加载到球面模具上的气体压力，保压时间5小时，保持方形微孔光学元件完整贴合模具；

步骤5、保压阶段结束后进入降压和降温阶段，卸去加载在球面模具上的压力，其中将氮气流速减少至50毫升/分钟，将加载在球面模具上的压力保持在0.5kg数值，维持球面成形；并且以预设的降温速率进行降温，直到室温。

其中，在放入微孔光学元件之前，需要对球面成形用的的球面工装进行清洁操作，清洁需在洁净工房内进行，洁净度为7级。清洁球面模具，随后将微孔光学元件放入模具内，再将模具放置在真空加热炉内指定安装位置处，再将待成形的微孔光学元件放置进模具内，随后放置进真空加热系统内部的中心指定位置。

启动真空加热系统加热，通过设定一定的升温速率进行升温，当温度升温到200摄氏度时开启真空泵，启动真空系统，进入抽真空模式。当温度升温到设定温度600摄氏度时，加热系统启动保温程序，进入保温阶段。保温一段时间后开始触发气体加压程序，气体加压时温度处于恒定并且炉内高真空状态，真空度达到50Pa。

气体加压系统-进行气体加压控制，即氮气气体流速控制，以控制加载在模具上的压力变化。整个加压阶段分为加压、保压、降压。在三个压力阶段尤其可以通过气体流速控制，调整气体流速流量，实现精确完美贴合。

其中，在抽真空继续升温过程中，保证在整个球面成形过程都处于一个高真空环境，从而确保微孔光学元件镜片在与模具贴合的过程中，模具与镜片之间没有夹杂空气，镜片得以更好的贴合模具以减轻其在成形的面形的波动。

气体加压启动，加压时间为8小时，气体加压装置开始充入氮气，氮气的流速在8小时内从0匀速逐渐增加到2000毫升/分钟，以保持加载在模具上的压力均匀逐渐增加到20kg，氮气逐步推动球面模具挤压光学元件，实现光学元件与成形模具的贴合。当压力达到设定值时进入保压阶段，维持成形模具上的气体压力，保压时间5小时，保持光学元件完整贴合模具。

保压结束后进入降压程序，即卸去加载在成形模具上的压力。将氮气流速减少至50毫升/分钟，将加载在模具上的压力保持在0.5kg数值，持续的小压力的加载目的在于减小光学元件在降温过程中从粘弹体到弹性体过程中的回弹现象，减轻由于回弹对于最终成形后的曲率半径变化，以降低降温速率时光学元件回弹趋势，维持球面成形，直至室温。在降压同时，进行降温程序，以0.3℃/min的降温速率进行降温，降温至室温后，可取出球面成形后的光学元件。

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 (8)

1.一种用于龙虾眼微孔光学元件的气体加压精密球面成形装置,其特征在于,包括控制装置、氮气存储装置、压力控制器、真空加热炉、球面模具、气体加压装置以及真空泵；

所述球面模具包括上模具和下模具,位于真空加热炉内部；所述上模具和下模具均具有预设的曲率半径，下模具内放置待球面成形处理的龙虾眼微孔光学元件；

所述真空泵与真空加热炉连接，用于保持真空加热炉内部的真空度；

所述压力控制器用于控制氮气存储装置通过气体管道向气体加压装置输送氮气以对气体加压装置施加压力，在保持气体加压装置与上模具之间的间距小于等于预设阈值时通过氮气推动上模具朝向下模具运动；

所述控制装置被设置成用于控制压力控制器的压力调节、控制真空加热炉的加热温度以及真空泵的运行；

其中，所述气体加压装置与球面模具的上模具相对的一面布设有数百万垂直微孔结构,所述氮气存储装置输送至气体加压工装内的氮气经垂直微孔结构对上模具进行压力施加,进而迫使上模具向下移动使得下模具内放置的龙虾眼微孔光学元件弯曲成形；

所述气体加压装置包括主体部、由主体部限定出的内部的氮气腔体和至少一个氮气通道接口,主体部的顶部与真空加热炉的顶部采用螺母固定的刚性平行连接；氮气腔体通过氮气通道接口与所述气体管道连通，主体部的底部的垂直微孔结构与氮气腔体连通；

所述球面模具为采用碳化硅材质制作形成具有一定曲率半径的球面模具，所述球面模具的内表面包括经过镀膜处理形成的铬-铂复合膜层，其中金属铬膜与球面模具的内表面结合，金属铂膜镀制在金属铬膜上，形成复合膜层。

2.根据权利要求1所述的用于龙虾眼微孔光学元件的气体加压精密球面成形装置，其特征在于，所述气体加压装置具有至少两个氮气通道接口。

3.根据权利要求1所述的用于龙虾眼微孔光学元件的气体加压精密球面成形装置，其特征在于，所述主体部的底部的边缘形成一可包裹上模具的台阶结构，气体加压装置被设置成在通入氮气加压后，推动上模具在台阶结构包裹的位置下方朝向下模具垂直运动，推动龙虾眼微孔光学元件贴合下模具，实现球面成形。

4.根据权利要求3所述的用于龙虾眼微孔光学元件的气体加压精密球面成形装置，其特征在于，所述控制装置被设置成通过调节氮气的气体流速以调节向上模具的加压，将上模具垂直且均匀的向下推动。

5.根据权利要求1所述的用于龙虾眼微孔光学元件的气体加压精密球面成形装置，其特征在于，所述气体管道设置有气体流量计。

6.根据权利要求1所述的用于龙虾眼微孔光学元件的气体加压精密球面成形装置，其特征在于，所述金属铬膜的膜层厚度为20nm，所述金属铂膜的膜层厚度为100nm。

7.根据权利要求1所述的用于龙虾眼微孔光学元件的气体加压精密球面成形装置，其特征在于，所述铬-铂复合膜层采用双靶磁控溅射法在球面模具上进行原位膜层镀制。

8.一种基于权利要求1-7中任意一项气体加压精密球面成形装置的龙虾眼微孔光学元件精密球面成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将待成形的方形微孔光学元件放置进球面模具内，随后放置进真空加热炉内部的中心指定位置；

步骤2、真空加热炉进行升温，当温度到达第一阈值T1时对真空加热炉内部抽真空并持续进行升温，直到炉内温度达到第二阈值T2并且炉内真空度达到预设值，进入保温阶段，保温2小时以上；

步骤3、控制启动气体加压，将氮气存储装置中的氮气通过气体管道向气体加压装置输送，通过氮气推动上模具朝向下模具运动；其中将氮气的流速在8小时内从0匀速逐渐增加到2000毫升/分钟，以保持加载在上模具的压力均匀逐渐增加到20kg，逐步推动球面模具挤压方形微孔光学元件，实现光学元件与成形模具的贴合，该阶段为加压阶段；

步骤4、当加载在上模具的压力达到设定值时进入保压阶段，维持加载到球面模具上的气体压力，保压时间5小时，保持方形微孔光学元件完整贴合模具；

步骤5、保压阶段结束后进入降压和降温阶段，卸去加载在球面模具上的压力，其中将氮气流速减少至50毫升/分钟，将加载在球面模具上的压力保持在0.5kg数值，维持球面成形；并且以预设的降温速率进行降温，直到室温。

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