CN116699791A - 一种主动冷却椭球反射镜及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种主动冷却椭球反射镜及其制造方法，属于精密光学仪器。解决了现有椭球反射镜散热效果差以及制造困难的问题。反射镜为一体化结构，包括反射面、密封层和流道，所述反射镜顶部为反射面，所述反射面的面形为椭球面，所述反射面下方为密封层，所述密封层上设置有安装基准面，所述密封层内部开设有流道，所述流道上部两端为进水口和出水口，所述流道为双螺旋结构，双螺旋结构的直径从上到下依次减小，冷却液从进水口进入流道，冷却液从上至下流至双螺旋结构底部后从下至上流至双螺旋结构顶部，最后从出水口流出。它主要用于照明光学系统。
Description
技术领域
本发明属于精密光学仪器，特别是涉及一种主动冷却椭球反射镜及其制造方法。
背景技术
椭球反射镜作为照明光学系统中的关键元件，其作用是使光线偏折与会聚。系统工作过程中，连续、长时间的高能光束照射在镜面，以及光源发光产生的大量热量，会使反射镜基底及其表面因能量吸收引起反射镜局部的非均匀温升，形成温度梯度。从而容易引起反射镜工作区域凸起等畸变，造成光束质量显著下降，甚至导致系统无法正常工作。
降低反射镜热变形的冷却方式可分为主动与被动两种，其中主动水冷是比较常用的方式。传统流道水冷镜加工方式一般为机械加工，再通过焊接技术将反射部、流道部与密封部合为一整体。这种工艺使人工与时间成本以及制造风险大大增加。并且由于焊接过程中的焊料与镜体材料不同产生的额外热阻，整体散热效果的削弱。在使用过程中，较大的水压以及冷却液长时间流动，严重时会使焊缝产生化学腐蚀，导致漏液等现象，产品使用寿命短，隐患大，可靠度低。
要使水冷镜达到预计散热效果，对内部流道的排列方式、宽度、以及数量等设计要求较高。
公开号为CN204668711U的中国实用新型专利公开了一种激光3D打印微通道水冷反射镜，公开日为2015年09月23日，其内部冷却水流微通道采用多个同心圆沟槽结合圆弧形挡板的设计形式。该方案存在的问题如下：
1.流道结构设计形式简单，冷却液流动不均匀，换热效率低；
2.流道形式不满足椭球反射镜的使用工况，局部工作区域温差明显；
3.结构细节特征并不满足增材制造约束，可加工性差。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种主动冷却椭球反射镜及其制造方法，以解决现有椭球反射镜散热效果差以及制造困难的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种主动冷却椭球反射镜，所述反射镜为一体化结构，包括反射面、密封层和流道，所述反射镜顶部为反射面，所述反射面的面形为椭球面，所述反射面下方为密封层，所述密封层上设置有安装基准面，所述密封层内部开设有流道，所述流道上部两端为进水口和出水口，所述流道为双螺旋结构，双螺旋结构的直径从上到下依次减小，冷却液从进水口进入流道，冷却液从上至下流至双螺旋结构底部后从下至上流至双螺旋结构顶部，最后从出水口流出。
更进一步的，所述密封层上设置有安装结构和光学定位基准。
更进一步的，所述冷却液为水。
更进一步的，所述反射镜外包络直径为250mm，所述反射面口径为220mm，反射面至密封层底面距离为110mm，所述流道的双螺旋结构管体直径为8mm。
本发明还提供了一种主动冷却椭球反射镜的制造方法，包括以下步骤：
步骤1：根据系统装配约束、增材制造约束、使用工况以及光学尺寸要求，通过三维建模软件对反射镜进行结构设计；
步骤2：根据三维模型数据，使用金属增材制造技术制作一体化成形的镜坯；
步骤3：对流道进行打压测试；
步骤4：对镜坯进行多次时效稳定化处理；
步骤5：对反射面进行表面改性处理；
步骤6：对反射面及安装基准进行加工处理；
步骤7：对反射面进行抛光处理；
步骤8：在反射面上镀反射膜层，完成反射镜的制造。
更进一步的，所述步骤2中使用粉床激光熔化技术制作一体化成形的镜坯。
更进一步的，所述镜坯材质为铝合金、铜合金、钛合金或不锈钢金属球形粉末。
更进一步的，所述反射面采用化学镀镍的方式进行表面改性处理。
更进一步的，所述反射面及安装基准通过金刚石单点车削加工的方式进行处理。
更进一步的，所述反射膜层材质为金或铝。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明为降低椭球镜的热变形，采用了主动冷却的方式对其进行散热，即在反射镜内部添设冷却流道进行水冷散热，通过对流换热作用带走镜面沉积的热量。
本发明针对椭球反射镜相应的使用工况，采用了基于仿生思想的双螺旋水冷散热结构，流道呈现由外围向内逐渐变短，流道流速由外向内逐渐加快的趋势。因此相同时间内，导致内部流道冷却液带走的热量更多，散热效果更好，可大幅降低内部工作区域温度。解决了椭球反射镜中心热量不易散失的问题，使其工作面均匀降温，避免局部散热不良，温度梯度等问题出现。
本发明所采用的制造方法是基于金属增材制造技术制造一体化成形的双螺旋流道水冷椭球反射镜。金属增材制造技术，能够降低这种内部封闭式腔体结构的制造难度。双螺旋流道结构更适用于椭球反射镜的使用工况，传热效率更高，并且更适配于金属增材制造成形。能发挥出增材制造自由式设计的明显优势。
基于金属增材制造技术，大大降低了复杂内部封闭空腔复杂结构的制造难度，与现有的传统的机加工与焊接技术相比，缩减了加工周期以及制造与使用风险。双螺旋冷却流道能够增大冷却液换热效率，满足椭球反射镜使用工况，解决其中心热量不易散失的问题。经有限元分析以及热学试验，结果表明其在换热方面具有明显的效果提升。并且该结构满足金属增材制造约束，使其制造失败风险大大降低，提升了可制造性以及后续的工程应用以及批量化的可能。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明所述的一种主动冷却椭球反射镜立体结构示意图；
图2为本发明所述的一种主动冷却椭球反射镜底面结构示意图；
图3为本发明所述的一种主动冷却椭球反射镜内部结构示意图；
图4为本发明所述的双螺旋结构流道立体结构示意图；
图5为本发明所述的双螺旋结构流道平面结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参见图1-5说明本实施方式，一种主动冷却椭球反射镜，应用于某照明光学系统。采用内部主动冷却形式提升换热效率，降低反射镜的热变形，提升光学系统光学质量。
所述反射镜为一体化结构，包括反射面1、密封层2和流道4，所述反射镜顶部为反射面1，所述反射面1的面形为高陡度椭球面，反射面1为反射镜的工作面，实现光线传输与会聚，经过超精密光学加工处理后，实现使用工况的面形精度与表面粗糙度要求。
所述反射面1下方为密封层2，所述密封层2上集成了安装结构和光学定位基准，所述密封层2上设置有安装基准面3，便于后续系统安装以及光路调整。
所述密封层2内部开设有流道4，所述流道4上部两端为进水口5和出水口6，所述流道4为双螺旋结构，双螺旋结构的直径从上到下依次减小，冷却液从进水口5进入流道4，冷却液从上至下流至双螺旋结构底部后从下至上流至双螺旋结构顶部，最后从出水口6流出。流道4设置在反射镜内部，实现镜面的高效换热。冷却液通过进水口5入，通过出水口6出，带走工作时反射镜的热量。
本实施例中所述反射镜外包络直径约为250mm，所述反射面1口径约为220mm，反射面1至密封层2底面距离约为110mm，所述流道4的双螺旋结构管体直径约为8mm。冷却液为水。
本实施例采用了基于仿生思想的双螺旋结构水冷散热流道4，流道4呈现由外围向内逐渐变短，流道流速由外向内逐渐加快的趋势。因此相同时间内，经过流道4的冷却液带走的热量更多，散热效果更好，可大幅降低内部工作区域温度。解决了椭球反射镜中心热量不易散失的问题，使其工作面均匀降温，避免局部散热不良，温度梯度等问题出现。双螺旋结构水冷散热流道4能够增大冷却液换热效率，满足椭球反射镜使用工况，解决其中心热量不易散失的问题。经有限元分析以及热学试验，结果表明本实施例在换热方面具有明显的效果提升。并且该结构满足金属增材制造约束，使其制造失败风险大大降低，提升了可制造性以及后续的工程应用以及批量化的可能。
本实施例为上述主动冷却椭球反射镜的制造方法，包括以下步骤：
步骤1：根据系统装配约束、增材制造约束、使用工况以及光学尺寸要求，通过三维建模软件对反射镜进行结构设计；
步骤2：根据三维模型数据，使用粉床激光熔化技术制作一体化成形的镜坯，保证致密性以及表面光洁度相对良好，粉床激光熔化技术为金属增材制造技术中的一种，镜坯材质为铝合金、铜合金、钛合金或不锈钢等金属球形粉末，铝合金可选用AlSi10Mg或AlSi40。
步骤3：镜坯成形后，对流道4进行打压测试，保证镜坯无漏液，漏气等现象；
步骤4：对镜坯进行多次时效稳定化处理，保证后续使用的纳米级尺寸稳定性要求；
步骤5：对反射面1采用化学镀镍的方式进行表面改性处理，便于后续光学加工；
步骤6：对反射面1以及光机结构安装基准通过金刚石单点车削加工的方式进行处理；
步骤7：对反射面1进行超光滑抛光处理，达到最终使用的面形精度与粗糙度要求；
步骤8：在反射面1上镀金或铝等材质的反射膜层，达到最终反射率要求，完成反射镜的制造。
本实施例所采用的制造方法是基于金属增材制造技术。金属增材制造技术，能够降低这种内部封闭式腔体结构的制造难度。双螺旋结构流道4更适用于椭球反射镜的使用工况，传热效率更高，并且更适配于金属增材制造成形。能发挥出增材制造自由式设计的明显优势。基于金属增材制造技术，大大降低了复杂内部封闭空腔复杂结构的制造难度，与现有的传统的机加工与焊接技术相比，缩减了加工周期以及制造与使用风险。
以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。
Claims (10)
1.一种主动冷却椭球反射镜，其特征在于：所述反射镜为一体化结构，包括反射面(1)、密封层(2)和流道(4)，所述反射镜顶部为反射面(1)，所述反射面(1)的面形为椭球面，所述反射面(1)下方为密封层(2)，所述密封层(2)上设置有安装基准面(3)，所述密封层(2)内部开设有流道(4)，所述流道(4)上部两端为进水口(5)和出水口(6)，所述流道(4)为双螺旋结构，双螺旋结构的直径从上到下依次减小，冷却液从进水口(5)进入流道(4)，冷却液从上至下流至双螺旋结构底部后从下至上流至双螺旋结构顶部，最后从出水口(6)流出。
2.根据权利要求1所述的一种主动冷却椭球反射镜，其特征在于：所述密封层(2)上设置有安装结构和光学定位基准。
3.根据权利要求1所述的一种主动冷却椭球反射镜，其特征在于：所述冷却液为水。
4.根据权利要求1所述的一种主动冷却椭球反射镜，其特征在于：所述反射镜的外包络直径为250mm，所述反射面(1)口径为220mm，反射面(1)至密封层(2)底面距离为110mm，所述流道(4)的双螺旋结构管体直径为8mm。
5.一种主动冷却椭球反射镜的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：根据系统装配约束、增材制造约束、使用工况以及光学尺寸要求，通过三维建模软件对反射镜进行结构设计；
步骤2：根据三维模型数据，使用金属增材制造技术制作一体化成形的镜坯；
步骤3：对流道(4)进行打压测试；
步骤4：对镜坯进行多次时效稳定化处理；
步骤5：对反射面(1)进行表面改性处理；
步骤6：对反射面(1)及安装基准进行加工处理；
步骤7：对反射面(1)进行抛光处理；
步骤8：在反射面(1)上镀反射膜层，完成反射镜的制造。
6.根据权利要求5所述的一种主动冷却椭球反射镜的制造方法，其特征在于：所述步骤2中使用粉床激光熔化技术制作一体化成形的镜坯。
7.根据权利要求5所述的一种主动冷却椭球反射镜的制造方法，其特征在于：所述镜坯材质为铝合金、铜合金、钛合金或不锈钢金属球形粉末。
8.根据权利要求5所述的一种主动冷却椭球反射镜的制造方法，其特征在于：所述反射面(1)采用化学镀镍的方式进行表面改性处理。
9.根据权利要求5所述的一种主动冷却椭球反射镜的制造方法，其特征在于：所述反射面(1)及安装基准通过金刚石单点车削加工的方式进行处理。
10.根据权利要求5所述的一种主动冷却椭球反射镜的制造方法，其特征在于：所述反射膜层材质为金或铝。
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