本發(fā)明涉及空心角鏡及其制備方法，具體涉及一種高精度高穩(wěn)定的空心角鏡及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、空心角鏡，全稱為空心角錐棱鏡，又稱為光學(xué)回反器，其形狀類似倒置的三角形角錐結(jié)構(gòu)，中間為空心。無(wú)論光線從哪個(gè)方向照射到空心角錐的表面，在其中任意一面鏡面上的光線經(jīng)過(guò)反射后，都能夠沿原來(lái)的傳播方向返回。這種特性使得空心角鏡被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，包括光通信、激光測(cè)距、光學(xué)測(cè)量、光學(xué)定位、汽車照明、科學(xué)研究以及航空航天等。

2、目前，對(duì)于空心角鏡研制，國(guó)內(nèi)外主要采用兩種技術(shù)路徑：

3、(1)玻璃材料基底的膠粘或鍵合技術(shù)：這種技術(shù)路徑通常使用玻璃材料作為基底，進(jìn)行環(huán)氧膠粘或者氫氧分子催化鍵合。代表產(chǎn)品有美國(guó)nasa研制的放置在月球上的阿波羅170mm口徑回射鏡和我國(guó)天琴引力物理研究中心為下一代月球距離探測(cè)研制的170mm空心角鏡。這兩款產(chǎn)品均采用了環(huán)氧膠粘和氫氧分子催化鍵合的技術(shù)途徑。

4、(2)金屬基材或碳化硅基材的機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整技術(shù)：這種路徑則是采用金屬基材或者碳化硅基材，通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整的方式研制大口徑空心角鏡。典型代表包括iasi-fts中的大口徑空心角鏡以及技術(shù)物理研究所采用的鋁基材料的大口徑空心角鏡。

5、盡管上述技術(shù)路徑在大孔徑空心角鏡的研制上取得了一定的成果，但仍然存在一些亟待解決的問(wèn)題和缺點(diǎn)：

6、(1)傳統(tǒng)膠粘工藝和基于氫氧分子鍵合工藝粘接的空心角鏡，在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面表現(xiàn)較差，基于膠粘的玻璃材料空心角鏡和結(jié)構(gòu)件的連接較為困難，而采用金屬和玻璃的直接粘接則會(huì)導(dǎo)致平面鏡面型精度發(fā)生變化。

7、(2)上述設(shè)計(jì)中，通過(guò)底面的螺釘來(lái)調(diào)節(jié)安裝精度，安裝接口和調(diào)節(jié)螺釘之間的結(jié)構(gòu)連接沒(méi)有做隔離，容易受到振動(dòng)的影響，使得整體的抗沖擊能力較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是解決解決現(xiàn)有空心角鏡依賴粘接或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在瑕疵，導(dǎo)致空心角鏡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差、環(huán)境適應(yīng)性較差的不足之處，而提供一種高精度高穩(wěn)定的空心角鏡及其制備方法。

2、為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，本發(fā)明提供了如下技術(shù)解決方案：

3、一種高精度高穩(wěn)定的空心角鏡，其特殊之處在于：包括主體、三個(gè)轉(zhuǎn)接板和金屬支撐組件；

4、所述主體用于反射入射光線，使其能夠原路返回，主體包括兩兩互相垂直連接的三個(gè)金屬鏡；每個(gè)所述金屬鏡的背面分別通過(guò)多個(gè)第一螺釘設(shè)置有一個(gè)所述轉(zhuǎn)接板，金屬鏡與對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)接板之間設(shè)置有粘接劑；每個(gè)所述第一螺釘尾部穿過(guò)轉(zhuǎn)接板上設(shè)置的連接孔后，與金屬鏡的背面固定，且第一螺釘頭部在自身軸向與轉(zhuǎn)接板之間保持間隙；所述連接孔為通孔；

5、所述金屬支撐組件采用一體制造技術(shù)制備，金屬支撐組件的結(jié)構(gòu)與主體適配，金屬支撐組件與每個(gè)轉(zhuǎn)接板通過(guò)多個(gè)第二螺釘連接，每個(gè)所述第二螺釘尾部穿過(guò)金屬支撐組件后，固定在轉(zhuǎn)接板上設(shè)置的螺孔內(nèi)，所述螺孔處設(shè)置有墊片，墊片用于通過(guò)調(diào)整自身厚度來(lái)調(diào)整對(duì)應(yīng)金屬鏡的俯仰和旋轉(zhuǎn)的位姿。

6、進(jìn)一步地，所述螺孔深度小于所在轉(zhuǎn)接板厚度的1/2，所述螺孔、連接孔內(nèi)周設(shè)置有消應(yīng)力槽。

7、進(jìn)一步地，所述轉(zhuǎn)接板的材料和金屬鏡材料一致。

8、進(jìn)一步地，每個(gè)所述金屬鏡的其中兩個(gè)側(cè)邊分別與另外兩個(gè)金屬鏡的正面或側(cè)邊接觸。

9、一種上述高精度高穩(wěn)定的空心角鏡的制備方法，其特殊之處在于，包括如下步驟：

10、步驟1、根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)格，制造三個(gè)金屬鏡，以及分別與三個(gè)金屬鏡背面相匹配的三個(gè)轉(zhuǎn)接板，并在每個(gè)轉(zhuǎn)接板上設(shè)置多個(gè)連接孔和多個(gè)螺孔；

11、步驟2、將每個(gè)金屬鏡的背面與一個(gè)轉(zhuǎn)接板通過(guò)粘接劑粘接在一起，同時(shí)通過(guò)三個(gè)第一螺釘固定；

12、步驟3、采用一體制造技術(shù)制備金屬支撐組件，確保其結(jié)構(gòu)與空心角鏡的主體結(jié)構(gòu)相適配；

13、步驟4、將每個(gè)轉(zhuǎn)接板與金屬支撐組件通過(guò)多個(gè)第二螺釘連接，且在螺孔位置放置墊片，得到空心角鏡預(yù)制體；

14、步驟5、通過(guò)修切墊片的厚度調(diào)整各個(gè)金屬鏡的俯仰和旋轉(zhuǎn)位姿，從而調(diào)節(jié)空心角鏡預(yù)制體的光束出射平行角精度；

15、步驟6、檢測(cè)每個(gè)金屬鏡和對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)接板的應(yīng)力變形，判斷金屬鏡和對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)接板是否發(fā)生超過(guò)允許公差的變形，若否，則完成高精度高穩(wěn)定的空心角鏡制備；若是，則返回步驟5，直至變形沒(méi)有超過(guò)允許的公差，完成高精度高穩(wěn)定的空心角鏡的制備。

16、進(jìn)一步地，所述步驟1具體為：

17、步驟1.1、根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)格，制造三個(gè)金屬鏡，每個(gè)金屬鏡的尺寸和形狀需符合倒置的三角形角錐結(jié)構(gòu)的要求，確保其側(cè)邊能夠與其他兩個(gè)金屬鏡的正面或側(cè)邊緊密接觸；

18、步驟1.2、選用與金屬鏡材料一致的材料制造三個(gè)分別與三個(gè)金屬鏡背面相匹配的轉(zhuǎn)接板，并在每個(gè)轉(zhuǎn)接板上設(shè)置多個(gè)連接孔和多個(gè)螺孔，螺孔深度應(yīng)小于所在轉(zhuǎn)接板厚度的1/2。

19、進(jìn)一步地，步驟6中，所述檢測(cè)每個(gè)金屬鏡和對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)接板的應(yīng)力變形具體為：

20、步驟6.1、目視檢查金屬鏡和對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)接板的表面是否有明顯的變形或裂紋，手指觸摸檢查金屬鏡和對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)接板的連接部位是否有不平整或松動(dòng)的地方；

21、步驟6.2、使用高精度水平儀或激光水平儀檢測(cè)金屬鏡的表面平整度，確保其在允許公差范圍內(nèi)；

22、步驟6.3、使用激光干涉儀對(duì)金屬鏡表面進(jìn)行干涉測(cè)試，檢測(cè)表面是否存在微小變形；將平行光束射向金屬鏡，通過(guò)檢測(cè)反射光束的平行度，判斷金屬鏡是否存在應(yīng)力變形；

23、步驟6.4、將空心角鏡置于恒溫箱中，進(jìn)行一定范圍內(nèi)的溫度循環(huán)測(cè)試，并在不同溫度下使用應(yīng)力分析儀檢測(cè)金屬鏡和對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)接板的變形情況，確保在溫度變化過(guò)程中不會(huì)引起超過(guò)公差的應(yīng)力變形；

24、步驟6.5、通過(guò)修切墊片調(diào)整金屬鏡的俯仰和旋轉(zhuǎn)位姿，再次進(jìn)行光束出射平行角的精度檢測(cè)，確保調(diào)整后的金屬鏡符合設(shè)計(jì)要求。

25、步驟6.6、將所有檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，確保所有檢測(cè)步驟中的應(yīng)力變形均在允許范圍內(nèi)。

26、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

27、(1)本發(fā)明一種高精度高穩(wěn)定的空心角鏡，通過(guò)金屬鏡加工工藝、多層連接和緊固結(jié)構(gòu)以及多自由度修切的精度調(diào)整方案，避免了傳統(tǒng)膠粘存在的不可調(diào)整和修復(fù)的缺點(diǎn)，也優(yōu)化了現(xiàn)有金屬空心角鏡方案存在的抗振動(dòng)和抗沖擊能力不足的問(wèn)題，使得空心角鏡的綜合性能得到大幅提高，并保證了該空心角鏡能在航天航空等復(fù)雜環(huán)境下的使用。

28、(2)相比傳統(tǒng)基于膠合工藝的空心角鏡，本發(fā)明采用金屬鏡，通過(guò)螺釘進(jìn)行緊固連接，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好，具有更好的抗振能力和環(huán)境適應(yīng)性。

29、(3)相比傳統(tǒng)膠合工藝制備的空心角鏡一次成型之后不可更改，本發(fā)明具備多次調(diào)節(jié)的能力，即使在極端條件下造成精度下降，仍可通過(guò)二次調(diào)節(jié)保證其使用，以保證空心角鏡的出入射光的平行度精度，因此本發(fā)明可重復(fù)調(diào)節(jié)能力和環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)。

30、(4)相比目前國(guó)內(nèi)外基于金屬的空心角鏡設(shè)計(jì)方案，本發(fā)明采用三層連接的結(jié)構(gòu)固定方式，將螺釘緊固的應(yīng)力分布到中間的轉(zhuǎn)接板上，從而保證了金屬鏡的面型精度。

31、(5)本發(fā)明一種高精度高穩(wěn)定的空心角鏡的裝調(diào)方法，過(guò)程中不會(huì)發(fā)生元器件的損傷，影響后續(xù)的修正和二次裝調(diào)，因此對(duì)裝調(diào)平臺(tái)和設(shè)備的要求更加寬松，裝調(diào)難度更小，空心角鏡的成品率也更高。