CN115343844B - 热红外反射式遮光罩及其迭代设计方法和制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种热红外反射式遮光罩及其迭代设计方法和制作方法,包括以下步骤:确定设计遮光罩的基本参数,并计算叶片椭圆线与双曲线轮廓的公共焦距;假定第一个椭圆长轴长度,根据椭圆与双曲线的几何关系,算出椭圆双曲线的长短轴大小与起点终点坐标;判断遮光罩轮廓线的长度是否满足长度要求,若不满足,重设椭圆长轴长度,反复迭代计算直到遮光罩长度结果满足要求为止。本发明能够快速准确地设计出遮光罩,且设计出的遮光罩有效地解决了原遮光罩随光学系统视场角增加体积会急剧增大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及光学制造与加工技术领域,尤其是指一种热红外反射式遮光罩及其迭代设计方法和制作方法。
背景技术
遮光罩常被用于遮挡光学系统视场外杂散光路,是抑制光学系统中视场外杂散光的主要工具。遮光罩的主挡板一般是圆柱形管或圆锥形管,用于阻挡视场外的零级杂光;而遮光罩内部的叶片是用来抑制其内壁散射的结构。
根据阻挡杂光方式的不同,遮光罩可以分为吸收式与反射式。吸收式遮光罩的特点是内壁发黑,可以吸收大量的杂散光,常常用于探测可见近红外波段的系统中。反射式遮光罩的特点是内壁反射率高,通过特殊形状叶片的光学属性将杂散光反射出遮光罩,且自身的辐射通量小,常常用于探测热红外波段的系统中。
目前反射式遮光罩的形式有很多,例如CN111025631A、US5189554A、US3699471A和US5225931A等公开文件公开的遮光罩结构。其中,“Stavroud is O N,Foo L D.System ofreflective telescope baffles[J].Optic al Engineering,1994,33(3):675-680.”中报道的Lockheed-Stavroudis遮光罩是一种叶片形状为交替共聚焦椭圆和双曲面的遮光罩,具有结构稳定,阻挡杂散光性能好的优势,但它的体积会随着光学系统视场角的增加而急剧增大,此外遮光罩叶片的非球面陡度很大,直接加工会使车削刀具伸出太长从而引起振动,并容易让加工刀具与工件之间产生干涉,影响叶片的加工质量。这种遮光罩一般采用芯轴电铸复制工艺,但该工艺的代价是牺牲中间的芯轴模型,无法重复利用。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明公开了一种热红外反射式遮光罩及其迭代设计方法和制作方法。
本发明所采用的技术方案如下:
一种热红外反射式遮光罩的迭代设计方法,包括以下步骤:
步骤S1:根据遮光罩的基本参数计算遮光罩的j组叶片的椭圆面和双曲线轮廓的公共焦距;
步骤S2:选取j组叶片中的第一组叶片,设定第一个椭圆的长轴长度ae1,并根据公共焦距得到此时遮光罩的第一组叶片的椭圆面的起点坐标(x1,y1),根据椭圆几何公式计算得到遮光罩的第一组叶片的椭圆面的长轴ae1和短轴be1;确定遮光罩的第一组叶片的椭圆面的曲线终点及第一组叶片的双曲线起点坐标(x2,y2);
根据双曲线几何公式得到双曲线的长轴ah1和短轴bh1,并结合光学系统的视场角得到第一组叶片的双曲线终点坐标(x3,y3);
步骤S3:依次对j组叶片中的其他组叶片进行循环迭代,得到遮光罩轮廓线;判断遮光罩轮廓线的长度是否满足遮光罩的主挡板长度要求,若不满足,返回步骤S2,重新设定第一个椭圆的长轴长度ae1,直至遮光罩长度结果满足遮光罩的主挡板长度要求为止。
其进一步的技术特征在于:在步骤S1中,计算遮光罩的叶片椭圆面和遮光罩的双曲线轮廓的公共焦距的公式如下:
c=r+L×tanθ
式中,L为遮光罩的主挡板长度,r为光学系统的入瞳半径,θ为光学系统的视场角。
其进一步的技术特征在于:所述遮光罩的主挡板长度根据光学系统的主要杂散光来源进行确定。
其进一步的技术特征在于:所述遮光罩的叶片的数量根据自身热辐射大小与杂散光抑制性能共同确定。
一种热红外反射式遮光罩,利用上述所述的热红外反射式遮光罩的迭代设计方法进行设计得到,包括挡光环、金属镜面壳体和支承结构,所述挡光环设置在所述金属镜面壳体的一侧,所述金属镜面壳体包括多组椭圆面和双曲面,且多组所述椭圆面和双曲面共焦,所述支承结构罩于所述金属镜面壳体外。
其进一步的技术特征在于:所述挡光环的内直径为多组椭圆面和双曲面的公共焦距。
其进一步的技术特征在于:一组所述椭圆面设置辅助拼装部,所述辅助拼装部沿所述椭圆面的周长设置。
其进一步的技术特征在于:所述支承结构包括本体,所述本体的外壁设置多级连续的台阶。
一种热红外反射式遮光罩的制作方法,用于制造上述所述的热红外反射式遮光罩,包括以下步骤:
步骤S1:分段车削芯轴,所述芯轴达到设计的表面粗糙度后进行电铸,得到金属镜面壳体,将所述金属镜面壳体和所述芯轴进行脱模;
步骤S2:设计挡光环和支承结构,所述挡光环设置在所述金属镜面壳体的一侧,所述支承结构将挡光环与所述金属镜面壳体连接并支撑。
其进一步的技术特征在于:所述芯轴包括主体,所述主体的轮廓由多组连续的椭圆面和双曲面组成。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点:
1、本发明给出用于长波红外的叶片形状为交替共聚焦椭圆与双曲面的热红外反射式遮光罩的迭代设计方法,能够快速准确地设计出遮光罩,且设计出的遮光罩有效地解决了原遮光罩随光学系统视场角增加体积会急剧增大的问题。
2、本发明提出的热红外反射式遮光罩的制作方法能够保证性能,节省重复车削芯轴的加工时间与成本且易于实现,解决现有技术方案牺牲中间的芯轴模型、无法重复利用的问题。
3、本发明适用于其他具有特殊叶片形状且难以直接加工的遮光罩的制造领域。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解,下面根据本发明的具体实施例并结合附图,对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明中热红外反射式遮光罩的结构特征示意图。
图2是本发明中热红外反射式遮光罩的迭代设计方法的流程图。
图3是本发明中热红外反射式遮光罩的迭代设计方法的解释示意图。
图4是本发明中热红外反射式遮光罩的结构示意图。
图5是金属镜面壳体的结构示意图。
图6是支承结构的结构示意图。
图7是芯轴的结构示意图。
图8是辅助脱模构件的结构示意图。
说明书附图标记说明:1、挡光环;2、金属镜面壳体;21、辅助拼装部;22、椭圆面;23、双曲面;3、支承结构;31、连接部;4、芯轴;5、辅助脱模构件;51、突出部;52、凸台部;53、连接孔;54、锥形接触面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明,以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施,但所举实施例不作为对本发明的限定。
关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效,在以下配合参考附图对实施例的详细说明中,将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语,例如:上、下、左、右、前或后等,仅是参考附图的方向。因此,使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明,此外,在全部实施例中,相同的附图标号表示相同的元件。
实施例1:
结合图1-图3,一种热红外反射式遮光罩的迭代设计方法,包括以下步骤:
步骤S1:根据遮光罩的基本参数计算遮光罩的j组叶片的椭圆面和双曲线轮廓的公共焦距;
步骤S2:选取j组叶片中的第一组叶片,设定第一个椭圆的长轴长度ae1,并根据公共焦距得到此时遮光罩的第一组叶片的椭圆面的起点坐标(x1,y1),根据椭圆几何公式计算得到遮光罩的第一组叶片的椭圆面的长轴ae1和短轴be1;结合光学系统的视场角确定遮光罩的第一组叶片的椭圆面的曲线终点及第一组叶片的双曲线起点坐标(x2,y2);
根据双曲线几何公式得到双曲线的长轴ah1和短轴bh1,并结合光学系统的视场角得到第一组叶片的双曲线终点坐标(x3,y3);
步骤S3:依次对j组叶片中的其他组叶片进行循环迭代,得到遮光罩轮廓线;判断遮光罩轮廓线的长度是否满足遮光罩的主挡板长度要求,若不满足,返回步骤S2,重新设定第一个椭圆的长轴长度ae1,直至遮光罩长度结果满足遮光罩的主挡板长度要求为止。
上述提供了一种热红外反射式遮光罩的迭代设计方法,解决现有的遮光罩随光学系统视场角增加体积会急剧增大的问题。
在本实施例中,在步骤S1中,计算遮光罩的叶片椭圆面和遮光罩的双曲线轮廓的公共焦距的公式如下:
c=r+L×tanθ
式中,L为遮光罩的主挡板长度,r为光学系统的入瞳半径,θ为光学系统的视场角。
在本实施例中,遮光罩的主挡板长度根据光学系统的主要杂散光来源进行确定。
在本实施例中,遮光罩的叶片的数量根据自身热辐射大小与杂散光抑制性能共同确定。
实施例2:
基于实施例1,代入遮光罩的基本参数设计热红外反射式遮光罩。
步骤S1:根据遮光罩的基本参数,遮光罩的主挡板长度L为100mm,遮光罩的叶片数量j=3,光学系统的入瞳半径r为6.47mm,光学系统的视场角为20°,根据遮光罩的叶片椭圆面和遮光罩的双曲线轮廓的公共焦距的公式计算得到其公共焦距c为42.87mm;
步骤S2:设定此时第一个椭圆的长轴长度ae1为55.98mm,代入得到第一个椭圆的曲线起点坐标为(0,55.98)。根据椭圆几何关系,计算得到第一组叶片的椭圆面的长轴ae1和短轴be1大小分别为55.98mm和36.00mm。结合视场角得到第一组叶片的椭圆面的起点坐标为(29.48,32.14),该终点坐标也是双曲线的起点坐标,根据双曲线几何关系,计算双曲线的长轴ah1和短轴bh1为35.10mm和24.61mm,得到第一组叶片的双曲线终点坐标为(44.55,39.77)。
步骤S3:依次对j组叶片中的其他组叶片进行循环迭代,机按顺序计算出3组遮光罩的叶片椭圆面与双曲线以及第四条椭圆曲线的长、短轴长度与坐标,获得遮光罩的轮廓曲线。
判断此时第四条椭圆曲线的终点横坐标是否等于100mm,经计算该坐标为(100,6.47),满足要求,因此得到了准确的遮光罩轮廓线。
实施例3:
结合图4-图6,一种热红外反射式遮光罩,利用实施例1提供的热红外反射式遮光罩的迭代设计方法进行设计得到,包括挡光环1、金属镜面壳体2和支承结构3,挡光环1设置在金属镜面壳体2的一侧,金属镜面壳体2包括多组椭圆面22和双曲面23,且多组椭圆面22和双曲面23共焦,支承结构3罩于金属镜面壳体2外。
上述提供一种热红外反射式遮光罩,由一系列共焦的椭圆、双曲线在与视场平行的两条边界线内交替追迹构成的,光学系统视场外的杂散光会入射到遮光罩的叶片上,之后会有两种情况:入射到椭圆上的杂散光会直接反射出遮光罩,或者被椭圆面(双曲面)反射到另一种曲面上,再经过另一种曲面反射出遮光罩。
在本实施例中,挡光环1的内直径为多组椭圆面22和双曲面23的公共焦距。
在本实施例中,一组椭圆面22设置辅助拼装部21,辅助拼装部21沿椭圆面22的周长设置。
在本实施例中,支承结构3包括本体,本体的外壁设置多级连续的台阶。具体地,本体设置连接部31,连接部31用于连接后光学系统,且连接部31可根据后光学系统改变其结构。
在本实施例中,支承结构3的材料为铝材料,支承结构3的厚度为2.5mm。
实施例4:
如图7所示,一种热红外反射式遮光罩的制作方法,用于制造实施例3提供的热红外反射式遮光罩,包括以下步骤:
步骤S1:分段车削芯轴4,芯轴4达到设计的表面粗糙度后进行电铸,得到金属镜面壳体2,将金属镜面壳体2和芯轴4进行脱模;
步骤S2:设计挡光环1和支承结构3,挡光环1设置在金属镜面壳体2的一侧,支承结构3将挡光环1与金属镜面壳体2连接并支撑,,最后得到遮光罩的整体。
上述提供了一种热红外反射式遮光罩的制作方法,解决常用方案牺牲中间的芯轴模型,无法重复利用的问题。
在本实施例中,在车削时,分段车削芯轴4的方法可以保证椭圆和双曲面间拐角的连续性,防止因刀具磨损等原因造成的加工误差。
在本实施例中,芯轴4的材料为铝金属。
在本实施例中,芯轴4的椭圆面与双曲面间垂直面的间隙小于1mm。
在本实施例中,电铸所用溶液为镍盐溶液,金属镜面壳体2的制作材料为镍金属。
在本实施例中,车削芯轴及电铸工艺目前已经较为成熟,均容易实现。
实施例5:
如图8所示,基于实施例4,一种热红外反射式遮光罩的制作方法中步骤S1具体还包括:通过辅助脱模构件5将金属镜面壳体2和芯轴4进行脱模,其中,辅助脱模构件5包括相互扣合的第一主体和第二主体,沿第一主体的周向设置凸出部51,第一主体的一侧设置凸台部52,且沿第一主体的轴向和沿第二主体的轴向均开设连接孔53,第一主体和第二主体均设有锥形接触面54,且第一主体的锥形接触面54和第二主体的锥形接触面54可相互抵接;其中,凸出部51用于辅助脱模以及为后面的装配提供基准,凸台部52用于车削与电铸时起固定作用,连接孔53用于第一主体和第二主体之间的拆卸与连接,第一主体和第二主体用于提供良好的气密性,防止电铸在接触面产生毛刺。
在本实施例中,辅助脱模构件5的口径小于8mm,辅助脱模构件5的宽度小于6mm。
在本实施例中,芯锥形接触面54与法线的角度应小于芯轴4的双曲面与法线的角度。
在本实施例中,脱模后的金属镜面壳体2通过电铸时沿着凸出部51沉积的辅助拼装部21进行对准。
在本发明实施例的描述中,还需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,若出现术语“设置”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (7)
1.一种热红外反射式遮光罩的迭代设计方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤S1:根据遮光罩的基本参数计算遮光罩的j组叶片的椭圆面和双曲线轮廓的公共焦距;在步骤S1中,计算遮光罩的叶片椭圆面和遮光罩的双曲线轮廓的公共焦距的公式如下:
C=r+L×tanθ
式中,L为遮光罩的主挡板长度,r为光学系统的入瞳半径,θ为光学系统的视场角;所述遮光罩的主挡板长度根据光学系统的主要杂散光来源进行确定;
步骤S2:所述遮光罩的叶片的数量根据自身热辐射大小与杂散光抑制性能共同确定;选取j组叶片中的第一组叶片,设定第一个椭圆的长轴长度ae1,并根据公共焦距得到此时遮光罩的第一组叶片的椭圆面的起点坐标(x1,y1),根据椭圆几何公式计算得到遮光罩的第一组叶片的椭圆面的长轴ae1和短轴be1;确定遮光罩的第一组叶片的椭圆面的曲线终点及第一组叶片的双曲线起点坐标(x2,y2);
根据双曲线几何公式得到双曲线的长轴ah1和短轴bh1,并结合光学系统的视场角得到第一组叶片的双曲线终点坐标(x3,y3);
步骤S3:依次对j组叶片中的其他组叶片进行循环迭代,得到遮光罩轮廓线;判断遮光罩轮廓线的长度是否满足遮光罩的主挡板长度要求,若不满足,返回步骤S2,重新设定第一个椭圆的长轴长度ae1,直至遮光罩长度结果满足遮光罩的主挡板长度要求为止。
2.一种热红外反射式遮光罩,其特征在于:利用如权利要求1所述的热红外反射式遮光罩的迭代设计方法进行设计得到,包括挡光环(1)、金属镜面壳体(2)和支承结构(3),所述挡光环(1)设置在所述金属镜面壳体(2)的一侧,所述金属镜面壳体(2)包括多组椭圆面(22)和双曲面(23),且多组所述椭圆面(22)和双曲面(23)共焦,所述支承结构(3)罩于所述金属镜面壳体(2)外。
3.根据权利要求2所述的热红外反射式遮光罩,其特征在于:所述挡光环(1)的内直径为多组椭圆面(22)和双曲面(23)的公共焦距。
4.根据权利要求2所述的热红外反射式遮光罩,其特征在于:一组所述椭圆面(22)设置辅助拼装部(21),所述辅助拼装部(21)沿所述椭圆面(22)的周长设置。
5.根据权利要求2所述的热红外反射式遮光罩,其特征在于:所述支承结构(3)包括本体,所述本体的外壁设置多级连续的台阶。
6.一种热红外反射式遮光罩的制作方法,其特征在于:用于制造如权利要求2-5任意一项所述的热红外反射式遮光罩,包括以下步骤:
步骤S1:分段车削芯轴(4),所述芯轴(4)达到设计的表面粗糙度后进行电铸,得到金属镜面壳体(2),将所述金属镜面壳体(2)和所述芯轴(4)进行脱模;
步骤S2:设计挡光环(1)和支承结构(3),所述挡光环(1)设置在所述金属镜面壳体(2)的一侧,所述支承结构(3)将挡光环(1)与所述金属镜面壳体(2)连接并支撑。
7.根据权利要求6所述的热红外反射式遮光罩的制作方法,其特征在于:所述芯轴(4)包括主体,所述主体的轮廓由多组连续的椭圆面和双曲面组成。
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