一种用于降低非球面大口径中空反射镜粘接应力的方法与流程

本发明属于光机设计及装调技术领域，具体为一种用于降低非球面大口径中空反射镜粘接应力的方法。

背景技术：

卡塞格林系统中主反射镜作为主要的成像元件，其结构形式大多采用非球面中空反射镜，主反射镜面型的变化直接影响卡式系统成像的像质高低。卡式系统的主反射镜和主镜框多采用胶接的方式进行装配连接，采用胶接方式可以使卡式系统在多种姿态(竖直、倾斜、水平)变换和复杂工况环境正常高效的使用。然而在装配过程中，由于主镜框的结构支撑应力以及在主反射镜与主镜框的粘接应力，使得主反射镜结构内部产生较大的应力集中，导致主反射镜面型发生变化，且粘接胶层容易导致主反射镜与主镜框发生相对位移，从而影响卡式系统成像像质。

目前我国公布的中国科学院西安光学精密机械研究所“一种大口径反射镜的微应力支撑结构”专利(公开号CN105700109A)采用镜座及带有多个凸片的轴向紧固压圈固定大口径反射镜，通过设置消应力槽保证反射镜面型精度。该方法适用于中间厚边缘薄的反射镜支撑，对于中空孔径大、厚度薄、边缘厚、厚径比较小的大口径反射镜并不适用，为降低装配过程中的主镜内部结构的应力，减小主镜面型变化，防止主反射镜与主镜框之间发生相对位移，保证卡塞格林系统高像质成像的要求，因此寻求一种能降低非球面中空反射镜粘接应力且能保证主反射镜与主镜框之间相对位置的结构和方法，对提高卡塞格林系统装配质量和成像质量有着十分重要的意义。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，发明了一种用于降低非球面大口径中空反射镜粘接应力的方法，本发明解决的技术问题是：

主要解决大口径中空反射镜粘接装配过程中面型精度变差、主反射镜与主镜框之间相对位移的问题，该光机结构和粘接方法可以广泛应用于大口径中空反射镜装配过程。此外，对其它类型的非球面反射镜的装配具有重要的参考意义。

本发明专利适用的主反射镜结构形式如图1所示，该主反射镜具有以下结构特点：

1)中空孔径大：非球面主反射镜中空直径φC不小于总口径φA的1/4；

2)中空孔厚度薄：中间厚度较薄，与边缘最厚处之比即t2/t1不大于2/3；

3)厚径比较小：厚度最薄处与最大直径处厚径比即t2/φA不大于1/10。

本发明的方法主要包括主镜框支撑台设计，粘接胶层间隙设计，主镜框与主反射镜粘接方法设计：

主镜框支撑台设计：

所述主反射镜属于非球面轴对称结构，其等效质心处于主反射镜中空位置，且主反射镜中空位置厚度最薄，对于应力变化最为敏感，因此主镜框支撑台离主反射镜中心位置越远对面型产生的影响越小。主反射镜支撑台一周台面支撑时，所述主反射镜与主镜框接触面积较大，由于台面在机械加工时，所述台面上具有微观结构上的凹凸缺陷，导致主反射镜内部产生应力集中，引起主反射镜面型变化；支撑台面积较小时，主反射镜与主镜框接触面积较小，导致主反射镜在支撑台处单位面积受力变大，同样使主反射镜面型产生变化。该发明采用三段圆弧支撑台对主反射镜进行支撑：支撑台为三段均布等长的圆弧，支撑台圆弧对应的角度θ为圆周的1/36，支撑台内圈直径取主反射镜重量70％处对应的直径φB：

mφB＝70％mφA，即

其中a、b为面型方程在φA/2、φB/2处的值。支撑台外圈直径与主镜框内孔的径向尺寸φK一致，φK在步骤2中进行定义。主反射镜的等效质心位置、支撑台位置、压板和胶粘产生的力使得主反射镜处于静力平衡状态，如图2所示，从而降低主反射镜内部应力，进一步降低对主反射镜面型变化的影响。

粘接胶层间隙设计：

主反射镜与主镜框之间的间隙是主镜框结构设计的重要环节。所述主反射镜与主镜框的热膨胀系数一般相差10-20倍，在复杂工况环境下：胶层间隙过小，所述主反射镜与主镜框线性变化量不同，造成主镜框对主反射镜挤压，导致主反射镜面型发生变化，进而影响卡式系统成像象质；胶层间隙过大，胶液厚度增加，固化后其弹性变化量越大，导致主镜在复杂工况环境下与主镜框的相对位置发生变化，造成卡式系统像质变差，因此本发明采用无热化等效胶层厚度及胡克定律共同解决主镜位移及热膨胀系数的胶层厚度设计方法。

根据无热化胶层厚度要求：

其中为等效热膨胀系数，te为胶层厚度，rg为主反射镜的半径，αm为主镜框材料热膨胀系数，αg为主反射镜材料热膨胀系数，αe为硅橡胶热膨胀系数，μe为硅橡胶的泊松比。

依据卡式系统成像象质要求，确定出主反射镜沿径向方向相对主镜框允许的最大偏移量Δt，在主反射镜竖直状态下通过简化纵向变形的单向应力状态的胡克定律计算出确定满足要求所需胶层的最大厚度tk：

其中E为硅橡胶弹性模量，FN为胶层所受的正压力，A为胶层主截面积，根据主反射镜使用工况，确定胶层厚度t(te≤t≤tk)，既保证主反射镜相对主镜框位置不变的同时减少胶层对主反射镜面型变化产生的影响，如图3所示，通过胶层厚度t确定主镜框内孔的径向尺寸φK＝φC+2t。

主镜框与主反射镜粘接方法设计：

(1)主反射镜定心：将所述主反射镜框固定在高精度可调回转台上，采用机械式千分表测量的方法，通过主镜框的端面特征及内孔或外圆特征，确定主镜框中心轴；将主反射镜置于主镜框中，调整主反射镜的位置，使主反射镜光轴与主镜框同轴。

(2)安装压板：主镜压板与主反射镜之间加垫航空橡胶板，通过主镜压板轻压主反射镜，精确固定主反射镜与主镜框的相对位置，防止灌胶过程中胶液的挤压造成主反射镜与主镜框相对位置的改变。

(3)灌胶：在保证粘接强度的条件下，计算出最小粘接面积Qmin＝WaGfs/J，其中W为主反射镜的重量，aG为主反射镜组件所受的最大冲击的加速度系数，fs为安全系数，J为胶粘区的抗剪强度或抗拉强度。将粘接面积等分为16个粘接区域，各粘接区域的宽度w＝Qmin/(h·16)。采用柔软铜箔填塞出相应宽度的胶槽，从灌胶孔将胶液注入胶槽，保证各粘接区域胶液连续、均匀。

(4)压板调整：带胶液完全固化后，松开主镜压板螺钉。修垫主镜压板与主镜框连接面，使得航空橡胶板压紧量在0～0.02mm之间，保证各压板压紧量一致，防止主镜压板压力不均带来主反射镜面型变化，并达到辅助固定主反射镜的作用。

根据以上原理，本发明的技术方案为：

所述一种用于降低非球面大口径中空反射镜粘接应力的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：设计主镜框支撑台：

支撑台为三段均布等长的圆弧，支撑台圆弧对应的角度θ为圆周的1/36，支撑台内圈直径取主反射镜重量70％处对应的直径φB，支撑台外圈直径与主镜框内孔的径向尺寸φK一致，φK＝φC+2t；

步骤2：粘接胶层间隙设计：

确定胶层厚度t符合te≤t≤tk要求，其中

为等效热膨胀系数，rg为主反射镜的半径，αm为主镜框材料热膨胀系数，αg为主反射镜材料热膨胀系数，αe为硅橡胶热膨胀系数，μe为硅橡胶的泊松比；E为硅橡胶弹性模量，FN为胶层所受的正压力，A为胶层主截面积，Δt为依据卡式系统成像象质要求，确定出的主反射镜沿径向方向相对主镜框允许的最大偏移量；

步骤3：进行主镜框与主反射镜粘接，采用以下步骤：

步骤3.1：主反射镜定心：将主反射镜框固定在可调回转台上，采用机械式千分表测量的方法，通过主镜框的端面特征及内孔或外圆特征，确定主镜框中心轴；将主反射镜置于主镜框中，调整主反射镜的位置，使主反射镜光轴与主镜框同轴；

步骤3.2：安装压板：主镜压板与主反射镜之间加垫航空橡胶板，通过主镜压板按压主反射镜，固定主反射镜与主镜框的相对位置，防止灌胶过程中胶液的挤压造成主反射镜与主镜框相对位置的改变；

步骤3.3：灌胶：在保证粘接强度的条件下，计算出最小粘接面积Qmin＝WaGfs/J，其中W为主反射镜的重量，aG为主反射镜组件所受的最大冲击的加速度系数，fs为安全系数，J为胶粘区的抗剪强度或抗拉强度；将粘接面积等分为16个粘接区域，各粘接区域的宽度w＝Qmin/(h·16)，h为粘接区域深度；采用铜箔填塞出相应宽度的胶槽，从灌胶孔将胶液注入胶槽，保证各粘接区域胶液连续、均匀；

步骤3.4：压板调整：带胶液完全固化后，松开主镜压板螺钉，修垫主镜压板与主镜框连接面，使得航空橡胶板压紧量在0～0.02mm之间，保证各压板压紧量一致，防止主镜压板压力不均带来主反射镜面型变化，并达到辅助固定主反射镜的作用。

有益效果

本发明与现有结构及方法相比的优点在于：

(1)采用三段支撑台结构支撑主反射镜，能明显降低主镜框对主反射镜支撑时产生的应力集中，保证主反射镜面型不发生变化或发生较小的变化；

(2)在粘接胶层间隙设计时考虑了主反射镜与主镜框热膨胀系数差别较大的问题，保证了主反射镜的粘接强度以及主反射镜与主镜框的相对位置。

(3)粘接时保证了最小粘接面积和粘接胶层的厚度及均匀性，实现粘接面积参数的量化控制，较好的保证主反射镜的面型。

(4)主镜压板仅起到辅助固定主反射镜的作用，防止主镜压板压力过大或压力不均导致的主反射镜面型变化。

附图说明

图1为主反射镜结构示意图。

图2为主镜框支撑台结构示意图。

图3为主反射镜粘接胶层间隙设计示意图。

图4为实施实例之主反射镜结构示意图。

图5为实施实例之主反射镜与主镜框粘接胶层示意图。

图6为实施实例之主反射镜与主镜框装配示意图。

具体实施方式

在某型光电产品的卡塞格林系统结构由主反射镜1、主镜框2、主镜压板3、压板橡胶垫4、压板螺钉5组成，如图6所示。所述主反射镜1采用如图4所示形式的结构，主反射镜材料为石英玻璃，口径尺寸为φ230mm，重量2.1Kg，中空直径φ65mm占所述主反射镜口径的1/3.5，边缘最大厚度30.2mm，中空孔厚度20mm占最大厚度的2/3，厚度最薄处厚径比为1/11.5，经测量主反射镜装配前面型RMS＝λ/30(λ＝632.8nm)。所述主反射镜装配在主镜框中，通过粘接固定主反射镜，灌胶之后使用主镜压板及航空橡胶垫对主反射镜进行固定，对主反射镜的面型精度及位置精度要求较高，该组件要求装配后面型变化量不大于30％，即RMS≤λ/23，且主反射镜相对于主镜框的相对位移不大于0.005mm。其主镜框粘接结构及粘接方法步骤如下：

步骤1：主镜框支撑台设计

所述主反射镜属于非球面轴对称结构，其等效质心处于主反射镜中空位置，且主反射镜中空位置厚度最薄，对于应力变化最为敏感，因此采用三段圆弧支撑台对主反射镜进行支撑，支撑台角度θ为10°，支撑台内圈直径φB通过计算为φ200.7，使得主反射镜处于静力平衡状态，从而减少支撑台对主反射镜面型变化的影响。主镜框内孔的径向尺寸(即支撑台外圈直径)φK在步骤2中进行确定。

步骤2：粘接胶层间隙设计：

根据无热化胶层厚度设计要求，其中等效膨胀系数

取704硅橡胶的泊松比μe为0.48，热膨胀系数αe为790×10^-6/℃，则

无热化胶层厚度te：

其中主镜框采用钛合金TC4，其热膨胀系数取7.89×10^-6/℃，主反射镜采用KS石英玻璃，其热膨胀系数取0.55×10^-6/℃，主反射镜半径rg为115mm，因此无热胶层厚度te：

根据计算该主反射镜所应用的卡塞格林系统中主反射镜的最大偏移量不大于0.005mm，否则会影响卡式系统的成像质量，即

所述主反射镜在竖直状态时其偏移量最大，在竖直放置时下半部胶层所受的压力及上半部胶层所受的拉力与主反射镜的重力抵消，故FN＝2.1Kg·9.7N/Kg＝20.37N，取E为1.05×10^-3GPa，胶层等效主截面积根据步骤3中的(3)得出为：

A＝43.93×20×2＝1757.2mm²

则：

tk≤0.45mm

胶层间隙为t，0.38mm≤t≤0.45，因此所述主反射镜与所述主镜框之间的胶层间隙取t＝0.4mm，则主镜框内孔的尺寸为：

φK＝φC+2t＝230+2×0.4＝230.8。

步骤3：主镜框及主反射镜粘接过程：

(1)主反射镜定心：将主镜框2固定于高精度可调回转台上，采用千分表测量主镜框2的端面特征及内孔特征的跳动在0.01mm以内；然后将主反射镜1置于主镜框2中，调整主反射镜1的位置，使主反射镜1的非球面外端跳动在0.01mm以内，即完成主反射镜1的定中心。

(2)安装压板：采用主镜压板3轻压主反射镜1，在主镜压板3与主反射镜1之间加垫压板橡胶垫4，拧紧压板螺钉5精确固定主反射镜与主镜框的相对位置。

(3)灌胶：采用704硅橡胶对主反射镜1及主镜框2进行粘接，主反射镜1重量W＝2.1Kg，冲击加速度取aG＝30g，考虑到操作过程中可能的其他因素取fz＝4，胶层的剪切强度取0.9Mpa，因此最小粘接面积

Qmin＝WaGfs/J＝2.1×30×9.7×4/0.9＝2716mm²。

将粘接面积等分为16个粘接区域，各粘接区域面积为170mm²，粘接区域的宽度w＝Qmin/h＝170/20＝8.5mm。采用宽度10mm，厚度0.4mm柔软铜箔填塞出宽度为8.5mm的胶槽。从灌胶孔将胶液注入胶槽，保证各粘接区域胶液连续、均匀，如图5所示。

(4)压板调整：待胶液完全固化后，松开主镜压板螺钉5。修垫主镜压板3与主镜框2连接面，使得压紧量在0～0.02mm之间，保证各压板压紧量一致，防止主镜压板压力过大或压紧量不一致带来的主反射镜面型变化，如图6所示。

测量装配粘接后所述主反射镜的面型RMS＝λ/24，变化量为25％，满足面型要求。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。