CN113253367B - 碳纤维复合材料制成的光学镜 - Google Patents

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Abstract

一种用于激光束偏转的快速转向光学镜，其绕至少一个旋转轴线运动，包括：板，所述板包括铺在树脂中的多个碳纤维层，其中所述板包括正面，至少部分的所述正面被抛光和涂覆以用于反射激光；并且其中所述正面的表面法线与至少一个旋转轴线正交。一种制造快速转向光学镜的方法，包括：通过在树脂中铺设多个碳纤维层来形成具有正面和背面的板；校准所述板，使板的表面法线与所述镜的至少一个旋转轴线正交；并且抛光并涂覆至少部分的正面以反射光。

Description

碳纤维复合材料制成的光学镜
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年1月28日提交的、申请号为62/966,781的美国临时专利申请的优先权。美国临时专利申请62/966,781所公开的内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及用于激光束偏转的快速转向光学镜的制造材料，更具体地，涉及一种用于制造快速转向光学镜的基于碳纤维的复合材料。
背景技术
对于快速移动镜(例如用于检流计扫描仪(Galvos)或单枢轴点镜)、快速转向镜(FSM)，所有用户都在寻找具有最大刚度的轻质镜。用于镜的规格的典型值为E/ρ2，其中E：杨氏模量，ρ：密度。
表1列出了实际使用的材料的典型值：
材料 密度ρ[g/cm<sup>3</sup>] 杨氏模量[Gpa] E/ρ<sup>2</sup>
CFRP 1.78 205 64.70
SiC 3.21 420 40.76
熔融石英(SiO<sub>2</sub>) 2.20 76.5 15.79
铍 1.85 318 93.12
硅 2.34 147 26.94
表1–不同材料的E/ρ2
从表1中可以看出，与SiC和SiO2相比，碳纤维增强聚合物(CFRP)表现出明显的优势，并且不像铍那样有毒。
碳纤维(CF)是主要由碳原子组成的纤维。碳纤维具有几个优点，包括刚度高、拉伸强度高、重量轻、化学耐受性高、高温耐受性好和热膨胀小。这些特性使碳纤维在航空航天、土木工程、军事和赛车以及其他运动器材中非常受欢迎。但是，碳纤维复合材料尚未被用于光学设备例如高速镜中。对于快速转向光学镜中复合材料所需的合适成分(正确的纤维和方向，用于复合材料的树脂和表面涂层)以及为了高反射率而在涂层上脱气的其他问题知之甚少。当前，在光学领域，碳纤维复合材料被认为不适合用于快速转向镜。
因此，对由碳纤维复合材料制成的快速转向光学镜中合适的组件，以及将基于碳纤维的复合材料引入光学镜制造的方法一直是个迫切的需求。
发明内容
本公开的一种实施方式提供了一种用于激光束偏转的快速转向光学镜，其绕至少一个旋转轴线运动，包括：板，所述板包括铺树脂中的多个碳纤维层，其中所述板包括正面，至少部分的所述正面被抛光和涂覆以用于反射激光；并且其中所述正面的表面法线与至少一个旋转轴线正交。
在另一种实施方式中，其中上述镜具有一个旋转轴线，所述板包括用于安装到驱动马达的部分；其中所述板对齐，以使其质心与一个旋转轴线重合，并且其中所述正面的所述表面法线与一个旋转轴线正交。该实施方式的一个示例应用是振镜(Galvo mirror)。
在另一种实施方式中，其中上述镜具有两个正交的旋转轴线，其中所述板包括用于安装到电磁驱动器的部分；并且其中所述正面的表面法线与两个旋转轴线中的一者正交。该实施方式的一个示例应用是双轴线FSM。
本公开的一种实施方式提供了一种制造用于激光束偏转的快速转向光学镜的方法，包括：通过在树脂中铺设多个碳纤维层来形成具有正面和背面的板；校准所述板，以使板的表面法线与所述镜的至少一个旋转轴线正交；并且抛光和涂覆至少部分正面以反射光。
附图说明
图1示出了根据本公开的一种实施方式的光学镜的正面。
图2示出了根据本公开的一种实施方式的在光学镜的背面的支撑结构。
图3示出了根据本公开的一种实施方式的在镜坯中铺设碳纤维层的方案。
具体实施方式
旨在结合附图阅读根据本发明原理的说明性实施方式的描述，这些附图应被认为是整个书面描述的一部分。在此公开的在本发明的实施方式的描述中，对方向或取向的任何引用仅是为了描述方便，而不是以任何方式限制本发明的范围。相对术语，例如“下方的”、“上方的”、“水平的”、“垂直的”、“在……之上”、“在……之下”、“向上”、“向下”、“顶端”和“底部”以及它们的派生词(例如“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应解释为指的是当时所描述的方向或在所讨论的附图中所示的方向。这些相对术语仅是为了描述的方便，并且不需要以特定的方向来构造或操作该设备，除非如此明确指出。诸如“附加”、“附于”、“连接”、“耦接”、“互连”等类似的术语是指一种关系，其中结构通过中间结构直接地或间接地彼此固定或连接，以及两者活动或刚性附件或关系，除非另有明确说明。此外，本发明的特征和优点通过参考示例性实施方式进行说明。因此，本发明明确地不应该限于这样的示例性实施方式，该示例性实施例示出了可能单独存在或以其他特征组合存在的一些可能的非限制性组合；本发明的范围由所附的权利要求书限定。
本公开描述了目前设想的实施本发明的最佳方式。该描述并非旨在以限制性的意义来理解，而是提供了仅出于说明目的而提供的本发明的示例，通过参考附图，可以向本领域的普通技术人员建议本发明的优点和构造。在附图的各种视图中，相同的附图标记表示相同或相似的部分。
CFRP是复合材料。在这种情况下，复合材料包括两部分：基体和强化材料(reinforcement)。在CFRP中，强化材料是提供强度的碳纤维。基体通常是聚合物树脂，例如环氧树脂，以将强化材料结合在一起。由于CFRP包括两种不同的元素，因此材料属性取决于这两种元素。
强化材料赋予CFRP强度和刚度；分别通过应力和弹性模量测量。与例如钢和铝这种各向同性材料不同，CFRP具有定向强度特性。CFRP的性能取决于碳纤维的排列方式以及碳纤维相对于聚合物的比例。
在光学应用中，这种复合材料需要具备若干要素。选择一些最佳纤维的组成、这些纤维的方向，以及尤其是树脂的选择，以满足后处理(尤其是光学涂层：耐热性和脱气)和最终应用(通过使用正确的纤维以及复合结构中每层纤维的方向可实现最大的刚度)的所有要求。
根据每个镜的设计的不同，通过将纤维定向在适当方向上来实现所需的刚度。
纤维的标准厚度约为0.2mm至0.25mm。纤维组分可以是由此类纤维或单纤维制成的纱布。在一种实施方式中，复合材料是这两者的混合物。在一种实施方式中，单纤维非常细，厚度为100-120μm。通过使用较细的纤维，对于厚度固定的板可以构建更多层。在一种实施方式中，平面镜的典型实施例可以根据图3进行设置。还示出了反射镜的旋转轴线和定向参考角(orientation reference angles)。表2是根据一种实施方式铺设碳纤维层的实施例。
Figure BDA0002917153630000041
Figure BDA0002917153630000051
表2、碳纤维铺设方案
这里，UD(单向)是指仅在一个方向上排列有纤维的层。Mesh(网格)对应于双向纤维层。将两个方向的纤维编织在一起以形成网格、网纱或斜纹布。可以选择特定的铺设方案以在特定所需的方向上提供更大的刚度，以适用于特定的光学镜设计。在一种实施方式中，所有纤维层相对于其中心(对称轴)形成对称堆叠。
对于涂覆工艺，找到合适的树脂非常重要，该树脂是耐热的(高于160℃)并且在真空中不会脱气。额外的老化过程可以改善这些性能。在一种实施方式中，所使用的树脂是ER405。
在一种实施方式中，添加了另外层的纯树脂以帮助改善抛光处理结果，并且还可以用于补偿复合材料制造之后的变形。同样，找到合适的树脂是非常重要的，该树脂具有耐热性(高于160℃)并且在真空中不会脱气。在一些实施方式中使用的典型材料包括：RenLamLY5210和Aradur 2954。
可以在一侧或从两侧添加上述另外层(表面涂层)以补偿收缩和变形。该另外层的典型厚度在0.1mm和1.0mm之间。在一种实施方式中，最终的光学涂层可以是银涂层、铝涂层、电介质HR涂层或光学镜常见的任何其他涂层。注意，碳纤维材料对湿度敏感。在板的边缘，开放的纤维末端将吸收水分，这会导致变形。为了避免或减少这种影响，在一种实施方式中，将树脂涂层施加到具有开放纤维末端的板的切割边缘上。该树脂耐热并且在涂覆过程中没有脱气，类似于上面讨论的表面涂层中使用的树脂或者与上面讨论的顶涂层中使用的树脂相同。
在图1所示的一种实施方式中，快速转向光学镜具有板100，板100包括布置在树脂中的多个碳纤维层。板100的正面110的至少部分120被抛光和涂覆。板100包括用于安装到驱动马达或电磁驱动器的部分130。如图1所示，镜的设计大部分是平面平行的，但也可以有倒角或斜面，用于减少一些区域的厚度，这些区域可以是镜的固定区域、动应力较小的区域、或任何需要减少质量的区域。由于这些镜的加速度很高，因此质量的减小可以减少变形和振动。为了增加刚度，在一些实施方式中可以使用支撑结构。如图2所示，通过对复合材料进行成型或加工，可以轻松实现镜板背面140上的支撑结构150(例如，受树叶或飞机工业的启发)。
因为材料易于切削，在一种实施方式中，在CF镜的设计中可以包括完整的夹持单元或部分的夹持单元。请注意，典型的镜尺寸从6mm的孔径开始，很容易达到100mm。然而，根据本公开的实施方式的设计不受材料的限制。
根据本发明的由碳纤维复合材料制成的光学镜的各种实施方式满足了对快速转向光学镜中的合适组件的长期以来的需求。由于目前光学领域认为碳纤维复合材料不适合用于快速转向镜，因此使用基于碳纤维的复合材料来制造满足轻量化和刚度要求的快速转向光学镜的结果是出乎意料的。
虽然本发明已经就所描述的几个实施例进行了某些长度和某些特征描述，但是并不意图将本发明限于任何这样的细节或者实施方式或者任何特定的实施方式，而应当被解释为鉴于现有技术提供最广泛的解释，并因此有效地涵盖本发明的预期范围。此外，前述内容根据发明人所预见的实施例描述了本发明，尽管对于本发明的非实质性修改(目前尚未预见)仍然可以与其等同，但是本发明人可以进行使能描述。

Claims (20)

1.一种用于激光束偏转的快速转向光学镜，所述快速转向光学镜绕至少一个旋转轴线运动，包括：
板，所述板包括铺在树脂中的多个碳纤维层，
其中，所述板包括正面，至少部分的所述正面被抛光并涂覆以用于反射激光；并且
其中，所述正面的表面法线与所述至少一个旋转轴线正交；
其中，所述多个碳纤维层包括一个或多个单向碳纤维层，以及，一个或多个双向碳纤维层；
其中，所述一个或多个单向碳纤维层中的纤维平行于所述镜的旋转轴线排列；并且
其中，所述一个或多个双向碳纤维层中的纤维相对于所述镜的所述旋转轴线倾斜排列；其中，将所述一个或多个双向碳纤维层中的纤维编织在一起以形成网格、网纱或斜纹布。
2.根据权利要求1所述的快速转向光学镜，
其中，所述镜具有一个旋转轴线，
其中，所述板包括用于安装到驱动马达的部分；
其中，所述板对齐，以使所述板的质心与所述一个旋转轴线重合，并且
其中，所述正面的所述表面法线与所述一个旋转轴线正交。
3.根据权利要求1所述的快速转向光学镜，
其中，所述镜具有两个旋转轴线，
其中，所述板包括用于安装到电磁驱动器的部分；并且
其中，所述正面的所述表面法线与所述两个旋转轴线中的一者正交。
4.根据权利要求1所述的快速转向光学镜，其中所述板还包括覆在所述板的所述正面和/或背面上的树脂层，其中所述树脂层是耐热的，并且在添加光学涂层以实现最大反射率所必需的附加处理中不脱气。
5.根据权利要求1所述的快速转向光学镜，其中所述板还包括覆在所述板的一个或多个边缘上的树脂层，其中所述树脂层是耐热的并且不脱气。
6.根据权利要求1所述的快速转向光学镜，其中所述板的背面包括支撑结构。
7.根据权利要求1所述的快速转向光学镜，其中所述板还包括完整的或部分的夹持单元。
8.根据权利要求1所述的快速转向光学镜，其中所述板的至少一个边缘是倒角的或斜切的。
9.根据权利要求1所述的快速转向光学镜，其中，所述一个或多个双向碳纤维层中的所述纤维以相对于所述镜的所述旋转轴线倾斜±45°排列。
10.根据权利要求1所述的快速转向光学镜，其中，所有的所述纤维层相对于所述镜的中心轴形成对称堆叠。
11.根据权利要求3所述的快速转向光学镜，其中，所述两个旋转轴线彼此正交。
12.一种制造用于激光束偏转的快速转向光学镜的方法，包括：
在树脂中铺设多个碳纤维层，以形成具有正面和背面的板；
校准所述板，以使所述板的表面法线与所述镜的至少一个旋转轴线正交；并且
抛光并涂覆至少部分的所述正面以反射光；
其中，所述多个碳纤维层包括一个或多个单向碳纤维层，以及，一个或多个双向碳纤维层；
该方法还包括：
校准所述一个或多个单向碳纤维层，以使所述一个或多个单向碳纤维层中的所述纤维平行于所述镜的旋转轴线；并且
校准所述一个或多个双向碳纤维层，以使所述一个或多个双向碳纤维层中的纤维相对于所述镜的所述旋转轴线倾斜；并将所述一个或多个双向碳纤维层中的纤维编织在一起以形成网格、网纱或斜纹布。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括在所述板上加工用于安装到驱动马达或电磁驱动器上的部分。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括通过加工在所述板的所述背面形成支撑结构。
15.根据权利要求12所述的方法，还包括通过加工在所述板上形成完整的或部分的夹持单元。
16.根据权利要求12所述的方法，还包括对所述板的至少一个边缘进行倒角或斜切。
17.根据权利要求12所述的方法，还包括在所述板的所述正面和/或所述背面上涂覆树脂层，其中，所述树脂层是耐热的并且在添加光学涂层以实现最大反射率所必需的附加工艺中不脱气。
18.根据权利要求12所述的方法，还包括在所述板的一个或多个边缘上涂覆树脂层，其中，所述树脂层是耐热的并且不脱气。
19.根据权利要求12所述的方法，还包括排列所有的所述纤维层以形成相对于所述镜的中心轴的对称堆叠。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述一个或多个双向碳纤维层中的所述纤维相对于所述镜的旋转轴线倾斜±45°。
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"Active and adaptive CFRP mirror using MFC piezoeletric actuator for thermal deformation and atmospheric aberration correction";Hadi Baghsiahi等;《PROCEEDINGS OF SPIE》;20200103;摘要和制备方法 *

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