一种自由曲面金属反射镜及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种自由曲面金属反射镜及其设计方法。本发明专利技术极大地提高了反射镜的面形精度，并且结构简单、易于加工。该反射镜包括圆柱形反射镜主体以及沿圆周方向均匀设置在圆柱形反射镜主体外圆上的至少三个耳座；所述圆柱形反射镜主体外圆直径为ΦD；圆柱形反射镜主体前端面为曲面；每个耳座上均设有螺钉安装孔，每个耳座上的螺钉安装孔均位于以圆柱形反射镜主体中心为圆心的分度圆ΦD

A free-form metal mirror and its design method

【技术实现步骤摘要】
一种自由曲面金属反射镜及其设计方法
本专利技术属于光学精密机械领域，具体涉及一种自由曲面金属反射镜及其设计方法。
技术介绍
随着超精密机床的不断出现，金属反射镜在加工成本和研制周期上的优势越来越显著，同时金属反射镜在现代光学仪器和科研装备中有着广泛的应用。金属反射镜在光学系统中固定大多采用反射镜法兰与镜框联结，其联结方法有两种：1.粘接：粘接的特点是反射镜法兰不受其他压应力，粘接剂固化后在粘接面上会产生一部分应力，选择合适的粘接剂对反射镜面形精度影响较小，然而对于一些苛刻环境如空间辐射、冷热冲击等应用场合，粘接的可靠性随着时间的推移会大副降低；2.螺栓预紧：采用螺栓固定反射镜与粘接相比在苛刻环境其可靠性、耐冲击性都很高，然而在金属法兰上要承受一定的螺栓预紧力，预紧力会导致镜面产生微量变形，对于精密级光学仪器其反射镜在安装后镜面的PV值(该值是评价镜面表面面形指标之一，为镜片表面形貌的最大波峰和波谷之间的差值)一般要求在50～100纳米之间，RMS值(该值为镜片表面形貌的均方根值)要求在20～16纳米以下，然而在实际安装中发现反射镜的结构形式和安装螺钉的预紧力对反射镜面形的影响极大。例如，如图1形式的某金属反射镜在螺钉预紧后，设计指标PV60nm，其实际安装后镜面PV值300nm，远超出设计指标。由此可见，在预紧力一定的情况下，反射镜的结构形式对镜面的面形影响十分显著。因此非常有必要找到一种能够保证金属反射镜在螺栓预紧后的面形精度的结构形式。
技术实现思路
为了解决现有金属反射镜在安装过程中采用螺钉预紧后反射镜面形精度严重下降，甚至无法达到光学设计要求的问题，本专利技术设计了一种自由曲面金属反射镜及其设计方法。本专利技术的技术方案是：本专利技术提供了一种自由曲面金属反射镜，包括圆柱形反射镜主体以及沿圆周方向均匀设置在圆柱形反射镜主体外圆上的至少三个耳座；所述圆柱形反射镜主体外圆直径为ΦD；圆柱形反射镜主体前端面为曲面；每个耳座上均设有螺钉安装孔，每个耳座上的螺钉安装孔均位于以圆柱形反射镜主体中心为圆心的分度圆ΦDmid上；每个耳座的前、后两个端面上均开设有整体呈圆弧形的柔性槽，每个耳座上的柔性槽的圆弧中心线均位于以圆柱形反射镜主体中心为圆心的分度圆ΦDin上；其中，ΦDmid＞ΦDin＞ΦD；1.03φD≤φDin≤1.05φD。进一步地，上述每个耳座的后端面与所述圆柱形反射镜主体后端面平齐。进一步地，上述柔性槽的截面为圆弧形。进一步地，上述每个耳座的左、右两个侧面与所述圆柱形反射镜主体的外圆表面衔接的位置为圆弧形倒角。进一步地，上述圆柱形反射镜主体和耳座的关键设计参数分别满足以下条件：所述圆柱形反射镜主体的中心厚度为h，h的取值范围是：所述耳座厚度为h1，h1的取值范围是：所述耳座后端面与耳座后端面一侧柔性槽圆弧中心距离为h2；h2的取值范围是：所述耳座后端面与耳座前端面一侧柔性槽圆弧中心距离为h3；h3满足以下关系式：h3＝h1-h2；所述柔性槽的截面圆弧半径为R1，R1的取值范围是：所述圆弧形倒角的半径为R2，R2满足以下关系式：每个耳座上的螺钉安装孔所在分度圆直径φDmid的取值范围是：φDin+2(R1+φH)≤φDmid≤φDin+2(R1+1.5φH)；耳座的最外缘距离圆柱形反射镜主体的中心的最大外径为φDout，φDout的取值范围是：φDmid+2φH≤φDout≤φDmid+3φH，其中φH为螺钉安装孔的直径。进一步地，上述圆柱形反射镜主体与至少三个耳座一体加工成型。基于上述自由曲面金属反射镜结构的描述，现对该自由曲面金属反射镜的设计方法进行介绍，具体实现步骤如下：步骤1：将圆柱形反射镜主体和耳座的关键设计参数作为设计变量，并在有限元软件中建立自由曲面金属反射镜的初始三维模型；所述关键设计参数包括圆柱形反射镜主体的中心厚度h、耳座厚度h1、耳座后端面与耳座后端面一侧柔性槽圆弧中心距离h2、耳座后端面与耳座前端面一侧柔性槽圆弧中心距离h3、柔性槽的截面圆弧半径R1、圆弧形倒角的半径R2、每个耳座上的螺钉安装孔所在分度圆直径φDmid、耳座的最外缘距离圆柱形反射镜主体的中心的最大外径为φDout、每个耳座上的柔性槽的圆弧中心线均位于以圆柱形反射镜主体中心为圆心的分度圆直径ΦDin；步骤2：设置每个关键设计参数合的理参数取值范围，且参数取值范围的设定要满足自由曲面金属反射镜三维模型外形不发生改变；1.03φD≤φDin≤1.05φD；h3＝h1-h2；φDin+2(R1+φH)≤φDmid≤φDin+2(R1+1.5φH)；φDmid+2φH≤φDout≤φDmid+3φH；步骤3：设定网格划分原则，对自由曲面金属反射镜初始三维模型进行网格划分；所述网格划分原则包括：A、采用六面体8节点单元的方式划分网格；B、根据每个耳座上的螺钉安装孔的圆心与圆柱形反射镜主体中心之间的连线将初始三维模型等分，并且确保每一等分部分的网格结构特征、数量均一致；C、对每个耳座上的螺钉安装孔周围进行局部网格细化，使得每个耳座上的螺钉安装孔直径范围等于联结反射镜的螺栓头直径；D、对每个耳座上的螺钉安装孔周围的局部网格细化后的节点，按照螺栓联结设置边界条件；E、根据自由曲面金属反射镜的实际使用环境对各个网格节点施加载荷；步骤4：将遗传算法加载至有限元软件中，并建立与网格划分后自由曲面金属反射镜初始三维模型的关系；步骤5：向有限元软件中输入实际所需自由曲面金属反射镜的PV值、RMS值以及圆柱形反射镜主体外圆直径ΦD，从而得到实际所需自由曲面金属反射镜三维模型。本专利技术的优点为：1、本专利技术设计了耳座+双侧柔性槽的连接结构的金属反射镜，与传统反射镜的圆盘式法兰连接结构相比，可将反射镜安装时的镜面变形由百纳米量级降低到几十纳米，极大地提高了反射镜的面形精度，并且该结构简单、易于加工。2、本专利技术可利用有限元软件将金属反射镜的三维特征参数化，将有限元网格划分模式固定化，并将反射镜面形结果作为目标函数，利用遗传算法和有限元分析，实现了反射镜结构特征参数的优化搜索，极大程度地降低了工程技术人员的工作量。附图说明图1为传统的金属反射镜结构图。图2为耳座式的金属反射镜结构图。图3为耳座+单侧柔性槽相结合的金属反射镜结构图。图4为耳座+双侧柔性槽相结合的金属反射镜结构图。图5为耳座+双侧柔性槽相结合的金属反射镜结构剖视图。图6为具有关键设计参数的耳座+双侧柔性槽相结合的金属反射镜结构剖面图；图7为具有关键设计参数的耳座+双侧柔性槽相结合的金属反射镜结构图；图8为有限元网格划分后的耳座+双侧柔性槽相结合的金属反射镜的模型图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自由曲面金属反射镜，其特征在于：包括圆柱形反射镜主体以及沿圆周方向均匀设置在圆柱形反射镜主体外圆上的至少三个耳座；所述圆柱形反射镜主体外圆直径为ΦD；圆柱形反射镜主体前端面为曲面；/n每个耳座上均设有螺钉安装孔，每个耳座上的螺钉安装孔均位于以圆柱形反射镜主体中心为圆心的分度圆ΦD

【技术特征摘要】
1.一种自由曲面金属反射镜，其特征在于：包括圆柱形反射镜主体以及沿圆周方向均匀设置在圆柱形反射镜主体外圆上的至少三个耳座；所述圆柱形反射镜主体外圆直径为ΦD；圆柱形反射镜主体前端面为曲面；
每个耳座上均设有螺钉安装孔，每个耳座上的螺钉安装孔均位于以圆柱形反射镜主体中心为圆心的分度圆ΦDmid上；
每个耳座的前、后两个端面上均开设有整体呈圆弧形的柔性槽，每个耳座上的柔性槽的圆弧中心线均位于以圆柱形反射镜主体中心为圆心的分度圆ΦDin上；
其中，ΦDmid＞ΦDin＞ΦD；1.03φD≤φDin≤1.05φD。


2.根据权利要求1所述的自由曲面金属反射镜，其特征在于：每个耳座的后端面与所述圆柱形反射镜主体后端面平齐。


3.根据权利要求2所述的自由曲面金属反射镜，其特征在于：所述柔性槽的截面为圆弧形。


4.根据权利要求3所述的自由曲面金属反射镜，其特征在于：每个耳座的左、右两个侧面与所述圆柱形反射镜主体的外圆表面衔接的位置为圆弧形倒角。


5.根据权利要求4所述的自由曲面金属反射镜，其特征在于：所述圆柱形反射镜主体和耳座的关键设计参数分别满足以下条件：
所述圆柱形反射镜主体的中心厚度为h，h的取值范围是：
所述耳座厚度为h1，h1的取值范围是：
所述耳座后端面与耳座后端面一侧柔性槽圆弧中心距离为h2；h2的取值范围是：
所述耳座后端面与耳座前端面一侧柔性槽圆弧中心距离为h3；h3满足以下关系式：h3＝h1-h2；
所述柔性槽的截面圆弧半径为R1，R1的取值范围是：
所述圆弧形倒角的半径为R2，R2满足以下关系式：
每个耳座上的螺钉安装孔所在分度圆直径φDmid的取值范围是：φDin+2(R1+φH)≤φDmid≤φDin+2(R1+1.5φH)；
耳座的最外缘距离圆柱形反射镜主体的中心的最大外径为φDout，φDout的取值范围是：φDmid+2φH≤φDout≤φDmid+3φH，其中φH为螺钉安装孔的直径。


6.根据权利要求5所述的自由曲面金属反射镜，其特征在于：其特征在于：圆柱形反射镜主体与至少三个耳座一体加工成...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏，谢永军，李锦鹏，毛祥龙，高荣，董荣光，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61