一种主动冷却椭球反射镜及其制造方法技术

本发明专利技术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。照明光学系统。照明光学系统。

【技术实现步骤摘要】
一种主动冷却椭球反射镜及其制造方法


[0001]本专利技术属于精密光学仪器，特别是涉及一种主动冷却椭球反射镜及其制造方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]公开号为CN204668711U的中国技术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。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术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。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：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。
[0008]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。
[0009]更进一步的，所述冷却液为水。
[0010]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。
[0011]本专利技术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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]更进一步的，所述反射膜层材质为金或铝。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术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。
[0018]本专利技术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。
[0019]本专利技术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。
[0020]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
[0021]构成本专利技术的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1为本专利技术所述的一种主动冷却椭球反射镜立体结构示意图；图2为本专利技术所述的一种主动冷却椭球反射镜底面结构示意图；
图3为本专利技术所述的一种主动冷却椭球反射镜内部结构示意图；图4为本专利技术所述的双螺旋结构流道立体结构示意图；图5为本专利技术所述的双螺旋结构流道平面结构示意图。
具体实施方式
[0022]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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，本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0023]参见图1
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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。
[0024]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。
[0025]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。
[0026]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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张继真，王哈，管海军，张铠，谢晓麟，
申请(专利权)人：长春长光智欧科技有限公司，
类型：发明
国别省市：