一种高精度高稳定的空心角镜及其制备方法

本发明涉及空心角镜及其制备方法，具体涉及一种高精度高稳定的空心角镜及其制备方法。

背景技术：

1、空心角镜，全称为空心角锥棱镜，又称为光学回反器，其形状类似倒置的三角形角锥结构，中间为空心。无论光线从哪个方向照射到空心角锥的表面，在其中任意一面镜面上的光线经过反射后，都能够沿原来的传播方向返回。这种特性使得空心角镜被广泛应用于多个领域，包括光通信、激光测距、光学测量、光学定位、汽车照明、科学研究以及航空航天等。

2、目前，对于空心角镜研制，国内外主要采用两种技术路径：

3、(1)玻璃材料基底的胶粘或键合技术：这种技术路径通常使用玻璃材料作为基底，进行环氧胶粘或者氢氧分子催化键合。代表产品有美国nasa研制的放置在月球上的阿波罗170mm口径回射镜和我国天琴引力物理研究中心为下一代月球距离探测研制的170mm空心角镜。这两款产品均采用了环氧胶粘和氢氧分子催化键合的技术途径。

4、(2)金属基材或碳化硅基材的机械结构调整技术：这种路径则是采用金属基材或者碳化硅基材，通过机械结构调整的方式研制大口径空心角镜。典型代表包括iasi-fts中的大口径空心角镜以及技术物理研究所采用的铝基材料的大口径空心角镜。

5、尽管上述技术路径在大孔径空心角镜的研制上取得了一定的成果，但仍然存在一些亟待解决的问题和缺点：

6、(1)传统胶粘工艺和基于氢氧分子键合工艺粘接的空心角镜，在结构稳定性方面表现较差，基于胶粘的玻璃材料空心角镜和结构件的连接较为困难，而采用金属和玻璃的直接粘接则会导致平面镜面型精度发生变化。

7、(2)上述设计中，通过底面的螺钉来调节安装精度，安装接口和调节螺钉之间的结构连接没有做隔离，容易受到振动的影响，使得整体的抗冲击能力较差。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决解决现有空心角镜依赖粘接或结构设计存在瑕疵，导致空心角镜结构稳定性较差、环境适应性较差的不足之处，而提供一种高精度高稳定的空心角镜及其制备方法。

2、为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了如下技术解决方案：

3、一种高精度高稳定的空心角镜，其特殊之处在于：包括主体、三个转接板和金属支撑组件；

4、所述主体用于反射入射光线，使其能够原路返回，主体包括两两互相垂直连接的三个金属镜；每个所述金属镜的背面分别通过多个第一螺钉设置有一个所述转接板，金属镜与对应转接板之间设置有粘接剂；每个所述第一螺钉尾部穿过转接板上设置的连接孔后，与金属镜的背面固定，且第一螺钉头部在自身轴向与转接板之间保持间隙；所述连接孔为通孔；

5、所述金属支撑组件采用一体制造技术制备，金属支撑组件的结构与主体适配，金属支撑组件与每个转接板通过多个第二螺钉连接，每个所述第二螺钉尾部穿过金属支撑组件后，固定在转接板上设置的螺孔内，所述螺孔处设置有垫片，垫片用于通过调整自身厚度来调整对应金属镜的俯仰和旋转的位姿。

6、进一步地，所述螺孔深度小于所在转接板厚度的1/2，所述螺孔、连接孔内周设置有消应力槽。

7、进一步地，所述转接板的材料和金属镜材料一致。

8、进一步地，每个所述金属镜的其中两个侧边分别与另外两个金属镜的正面或侧边接触。

9、一种上述高精度高稳定的空心角镜的制备方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：

10、步骤1、根据设计规格，制造三个金属镜，以及分别与三个金属镜背面相匹配的三个转接板，并在每个转接板上设置多个连接孔和多个螺孔；

11、步骤2、将每个金属镜的背面与一个转接板通过粘接剂粘接在一起，同时通过三个第一螺钉固定；

12、步骤3、采用一体制造技术制备金属支撑组件，确保其结构与空心角镜的主体结构相适配；

13、步骤4、将每个转接板与金属支撑组件通过多个第二螺钉连接，且在螺孔位置放置垫片，得到空心角镜预制体；

14、步骤5、通过修切垫片的厚度调整各个金属镜的俯仰和旋转位姿，从而调节空心角镜预制体的光束出射平行角精度；

15、步骤6、检测每个金属镜和对应转接板的应力变形，判断金属镜和对应转接板是否发生超过允许公差的变形，若否，则完成高精度高稳定的空心角镜制备；若是，则返回步骤5，直至变形没有超过允许的公差，完成高精度高稳定的空心角镜的制备。

16、进一步地，所述步骤1具体为：

17、步骤1.1、根据设计规格，制造三个金属镜，每个金属镜的尺寸和形状需符合倒置的三角形角锥结构的要求，确保其侧边能够与其他两个金属镜的正面或侧边紧密接触；

18、步骤1.2、选用与金属镜材料一致的材料制造三个分别与三个金属镜背面相匹配的转接板，并在每个转接板上设置多个连接孔和多个螺孔，螺孔深度应小于所在转接板厚度的1/2。

19、进一步地，步骤6中，所述检测每个金属镜和对应转接板的应力变形具体为：

20、步骤6.1、目视检查金属镜和对应转接板的表面是否有明显的变形或裂纹，手指触摸检查金属镜和对应转接板的连接部位是否有不平整或松动的地方；

21、步骤6.2、使用高精度水平仪或激光水平仪检测金属镜的表面平整度，确保其在允许公差范围内；

22、步骤6.3、使用激光干涉仪对金属镜表面进行干涉测试，检测表面是否存在微小变形；将平行光束射向金属镜，通过检测反射光束的平行度，判断金属镜是否存在应力变形；

23、步骤6.4、将空心角镜置于恒温箱中，进行一定范围内的温度循环测试，并在不同温度下使用应力分析仪检测金属镜和对应转接板的变形情况，确保在温度变化过程中不会引起超过公差的应力变形；

24、步骤6.5、通过修切垫片调整金属镜的俯仰和旋转位姿，再次进行光束出射平行角的精度检测，确保调整后的金属镜符合设计要求。

25、步骤6.6、将所有检测数据进行综合分析，确保所有检测步骤中的应力变形均在允许范围内。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

27、(1)本发明一种高精度高稳定的空心角镜，通过金属镜加工工艺、多层连接和紧固结构以及多自由度修切的精度调整方案，避免了传统胶粘存在的不可调整和修复的缺点，也优化了现有金属空心角镜方案存在的抗振动和抗冲击能力不足的问题，使得空心角镜的综合性能得到大幅提高，并保证了该空心角镜能在航天航空等复杂环境下的使用。

28、(2)相比传统基于胶合工艺的空心角镜，本发明采用金属镜，通过螺钉进行紧固连接，结构稳定性更好，具有更好的抗振能力和环境适应性。

29、(3)相比传统胶合工艺制备的空心角镜一次成型之后不可更改，本发明具备多次调节的能力，即使在极端条件下造成精度下降，仍可通过二次调节保证其使用，以保证空心角镜的出入射光的平行度精度，因此本发明可重复调节能力和环境适应性更强。

30、(4)相比目前国内外基于金属的空心角镜设计方案，本发明采用三层连接的结构固定方式，将螺钉紧固的应力分布到中间的转接板上，从而保证了金属镜的面型精度。

31、(5)本发明一种高精度高稳定的空心角镜的装调方法，过程中不会发生元器件的损伤，影响后续的修正和二次装调，因此对装调平台和设备的要求更加宽松，装调难度更小，空心角镜的成品率也更高。