CN100476462C - 反射镜基体及其制造方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于望远镜的轻型反射镜基体及其制造方法。所述反射镜基体包括镜面板、布置在镜面板的下面的底板、布置在镜面板和底板之间的至少一层中间加固板、以及布置在所述各层板之间的多个支撑件。所述镜面板、底板和中间加固板可以由多个子板拼接而成。如果采用多个子板拼接而成，则对下一层拼板加以旋转/平移错位以使反射镜基体的刚度最高。

Description

反射镜基体及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种反射镜，更具体地讲，涉及一种多层可拼接式反射镜基体及其制造方法。

背景技术

在反射式天文望远镜中，由于重力作用产生的形变会改变镜面的形状，其结果将降低镜面的成像质量，因此，为了使形变尽可能小，需要控制镜体的重量和体积。然而，另一方面，为了达到所需的很高的刚度要求，传统的反射镜通常使用厚的实心玻璃制成。通常厚度为基体直径的五分之一到十分之一，所以，传统基体材耗高、重量大。为了防止重力引起的形变，需要采取相应的支撑结构，并且厚的基体需要昂贵的退火过程以消除基体的内部应力。为了克服这一问题，已经提出了采用轻型反射镜基体。

轻型反射镜基体通常包括镜面板、体芯和底板。镜面板和底板是外部结构板，它们通过体芯被隔开。体芯通常采用石英玻璃，硼硅玻璃，和低膨胀微晶陶瓷玻璃等材料制成。下列美国专利为此类基体的代表性例子：DeCaprio的第5,076,700号美国专利和Christiansen的第4,447,130号美国专利。

体芯部分通常是一峰窝状或封闭室类型的结构。峰窝体芯通常用独立的小段的隔壁或管材热焊接或粘接而成。其生产加工过程昂贵而又易于造成体芯部分的损坏。

第2,988,959号美国专利公开了一种用并排的玻璃管作为体芯的轻型反射镜基体。玻璃管的轴心相互平行，并与镜面的光轴平行。体芯与镜面板和底板用粘接剂粘接在一起。玻璃管可以是圆管、方管、或三角形管。

第1,167,895号英国专利公开了一种轻型反射镜基体，其中，体芯将镜面板和底板结合在一起，体芯包括十字形截面的管件或支撑件。或者不使用十字形截面的管件或支撑件，而是使用包括呈“装蛋箱”结构的互锁条的支撑件。

第968,025号英国专利公开了另一种采用六边形蜂窝状体芯的轻型反射镜基体，体芯与镜面和底板结合为一体。基体材料为透明或不透明石英玻璃。

第3,507,737号美国专利公开了一种轻型反射镜基体，其中，体芯包括多个被装配在一起呈“装蛋箱”结构的开槽的、狭长得、平直的支撑件。

第3,644,022号美国专利公开了一种轻型反射镜基体，其中，体芯由Y形组件形成，这些Y形组件被焊接在一起，以形成具有高刚度的峰窝状体芯。包含二氧化硅的材料用于制造反射镜。

这种结构的主要缺点在于，由于制造支撑结构困难，所以成本相对较高。

第3,754,812号美国专利公开了一种将镜面板，体芯和底板热熔在一起的方法。热熔是用碳弧的辐射热来完成的。热熔必须在热熔温度下进行。在这一温度下，镜面板、底板和体芯均会产生下垂现象，因此需要临时支撑。对于封闭室型的体芯没有简单的方法可以用来安装并在热熔后拆卸临时支撑件。第4,331,383号美国专利公开了一种通过在底板上打孔来拆卸临时支撑件的方法。

第6,176,588号美国专利公开了一种用挤出的陶瓷蜂窝体芯和镜面板制造轻型反射镜基体的方法。可选的底板可被粘合或附到体芯的底板上，以提高反射镜基体的机械稳定性和刚度。

无论是传统的，还是轻型的，大型反射镜的制造都十分困难而且昂贵。所以，多个小的子镜可被用来拼接成一个大型反射镜。对于这种活动拼板型反射镜，每个子镜都要单独研磨、抛光及修磨。所有子镜都要精确修磨成所对应母镜的对应部分。每一子镜均为离轴或非旋转对称曲面，这要求一个极为困难而且昂贵的非传统修磨过程。一旦安装后，所有子镜都要利用复杂而昂贵的设备精确定位到同一母镜位置上，而且在运动中和环境温度风力变化时，仍然保持精确定位。

在已知的轻型反射镜基体中，镜面板和底板都是一个整体。但是，大尺寸的板材不仅难加工而且难获得，也十分昂贵。此外，已知的轻型反射镜基体的夹心支撑部分都需要精密而又费时的加工。因此，需要提供一种加工容易，重量轻，成本低的反射镜基体。

发明内容

本发明的一方面在于提供一种多层可拼接式反射镜基体及其制造方法。

根据本发明的一方面，提供一种多层反射镜基体，其包括：镜面板；底板，布置在镜面板的下面；至少一层中间加固板，布置在镜面板和底板之间；和多个支撑件，布置在所述镜面板、中间加固板和底板中的相邻各层板之间，使所述镜面板、中间加固板和底板结合为一体。

所述支撑件和所述各层板通过焊接或热熔组装在一起。布置在各层板之间的支撑件上下对齐。

所述镜面板、底板和中间加固板中的至少一个是由多个子板拼接而成的。

子板为六边形或花瓣形或其他可以拼接成所需板片的其他形状。所述子板之间的拼接处相对于相邻层的子板之间的拼接处错开预定角度。

多个子板是相同形状的单层花瓣形，下层子板相对于镜面板旋转的角度为X*(360°/M)/N，其中，N为反射镜基体的板的总层数，M为每层板的子板的个数，X为不能重复的从1到N-1之间的整数，X的选择应使子板的拼接尽可能均匀分布。

所述支撑件可以为圆柱形或棱柱形，各层板的厚度可相同。支撑件的高度可以和所述各层拼板的厚度相等。

支撑件的最大宽度可等于镜面板的厚度。

所述支撑件之间的距离等于镜面板厚度的4至10倍。

所述反射镜基体的最大长度可以是所述反射镜基体的总厚度的5至10倍，优选为6倍。

根据本发明的另一方面，提供了一种制造多层反射镜基体的方法，该方法包括以下步骤：(a)装配具有镜面板、一层或多层中间加固板以及底板的反射镜基体，通过支撑件使各层板结合在一起。其中，所述的步骤(a)还包括将各层板之间的支撑件上下对齐。

所述方法还包括如下步骤：(b)制作主模，所述主模的形状与期望获得的反射镜镜面的形状相对应；(c)将反射镜基体均匀地放置在主模的顶部，并且使反射镜镜面向下面对主模；(d)在炉中将装配的反射镜基体在预定温度下热弯热弯到主模上；(e)在预定温度下进一步使得所有部件被热熔在一起，然后进行冷却和退火处理；和(f)从主模卸下反射镜基体。

从步骤(f)获得的基体的镜面板的形状可为凸面、凹面或平面。

所述镜面板、中间加固板和底板中的至少一个可以是由多个子板拼接而成的。所述子板为六边形或花瓣形。

所述步骤(a)还包括每层子板之间的拼接处相对于相邻层的子板之间的拼接处错开预定角度的步骤，使子板之间的拼接处布置得尽可能均匀。

根据本发明的另一方面，提供一种反射镜基体，其包括：镜面板；底板，布置在镜面板的下面；和多个支撑件，布置在所述镜面板和底板之间，使所述镜面板和底板结合为一体，其中，所述多个支撑件是实心支撑件。

附图说明

通过下面结合附图对本发明的实施例进行描述，本发明的上述和其它目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1是根据本发明实施例的反射镜基体的局部剖面透视图；

图2是沿图1的线I-I截取的剖视图；

图3是图1和图2中所示的支撑件的立体视图；

图4是具有3层拼板(N＝3)的平直反射镜基体的立体视图，其中，每层拼板被分为3个(M＝3)全等的花瓣；

图5是图4中所示的反射镜基体的镜面板的俯视图；

图6是图4中所示的反射镜基体的中间加固板(去除了镜面板)的俯视图；

图7是图4中所示的反射镜基体的底板(去除了镜面板和中间加固板)的俯视图；

图8和图9示出了根据本发明实施例的反射镜基体的热弯和热熔过程。

具体实施方式

现在，将根据本发明的实施例详细描述本发明，其例子列举在附图中。其中，不同附图中的相同的标号表示相同的部件。

图1是根据本发明实施例的反射镜基体的局部剖面平面图。图2是沿图1的线I-I截取的剖视图。图3是根据本发明的示例性实施例的反射镜基体中的支撑件的立体图。

图1和图2中所示的反射镜基体的外围形状呈圆形，并且包括镜面板1、中间加固板3和底板4，镜面板1具有凹的反射镜表面2。板1、3和4通过多个支撑件5结合在一起。支撑件5和各层板的结合方式可以是粘接、焊接或热熔。

如图2中所示，镜面板1和中间加固板3之间的各个支撑件5与中间加固板3和底板4之间的各个支撑件5上下对齐，以使每个板的上下两面受力一致。

根据本发明的轻型多层拼板式反射镜基体，可包括一层或多层中间加固板3，在本发明的附图中，示例性地示出了包含一层加固板的轻型多层拼板式反射镜基体。此外，虽然本发明示例性实施例的反射镜基体的形状为圆形，但是，根据本发明的反射镜基体的镜面2的形状可以是任何所需的镜面形状(例如，凹、凸或平直)，反射镜基体的外形可以是任何适合的外部形状(例如，反射镜基体的横截面为圆形、椭圆形或矩形)，并且可具有任何期望的尺寸(例如，最大长度从几英寸到几米)。

通常，各层板和支撑件可方便地使用厚度相同的材料。但是，根据需要，也可以使用厚度不同的材料。虽然优选地在同一反射镜中对于各层板和支撑件使用相同厚度的板材，但是这不是必须的。与现有的轻型反射镜基体不同，本发明适用于制造各种尺寸的反射镜基体，而且对于各种尺寸的反射镜基体都可使用同一厚度的相同板材。这在很大程度上简化了反射镜基体的制造过程，并且显著地降低了生产成本。

反射镜基体的直径D与反射镜基体的总的厚度的最大值T之比在10∶1到5∶1的范围之内，最好是6∶1。通过这种比例关系可确定中间加固板3的层数。但是，对于小的镜胚，例如直径小于10英寸的镜胚，可省略中间加固板3。支撑件5可具有适合的截面形状，例如圆形、方形或三角形，除此之外，也可以是其它形式的支撑结构。支撑件5的截面的宽度或直径大致等于镜面板1的厚度。相邻支撑件5之间的距离D′为镜面板1的厚度的4到10倍。这样，以这种方式布置的支撑件5可在满足最小重量的同时，提供对各层板1、3和4的最大支撑。支撑件5的数量和位置可利用有限元法根据形变和刚度要求来优化确定。

虽然在本发明的示例性附图中，支撑件5与中间加固板3单独形成。但是，根据本发明，支撑件5也可以与中间加固板3一体形成。

根据本发明的示例性实施例，各层板1、3和4可以是完整的单片板，也可以由多个子板拼成。子板可以是六边形或花瓣形。为进一步了降低成本，而又不增加加工的难度，基体的镜面板可以是整体的板材，而中间加固板和底板可用子板拼成。每层均与上一层子板旋转/平移错位以使反射镜基体的刚度最高。最为简单而又有效的拼板方式为单层花瓣形子板。为使反射镜基体各层联为一体，下一层拼板应相对于上一层转动一定角度。

此外，各层板可使用不同形状的子板拼接而成。例如，一层板使用花瓣形子板拼接，另一板使用六边形子板拼接。同一层的子板也可采用不同的形状。子板的形状可以根据需要和方便而采用其他形状，例如，近似梯形形状与扇形组合。

下面给出一个适用于单层花瓣形子板的拼接算法。如果基体共有N层板，每层板分成M个相同形状的单层花瓣。为了使反射镜基体的刚度最大，则下一层拼板应沿光轴相对于镜面板旋转X*(360°/M)/N的角度，其中，X是一个不能重复的从1到N-1的整数。即，如果一层板的子板旋转了2*(360/M)/N度，则剩余的板不能再旋转2*(360/M)/N度。从镜面板开始，下一层板的X的选择应该使子板的拼接交叠尽可能分布均匀。下面的表1给出从2层到6层的反射镜基体的拼接方案：

表1

N	X
		2	1
3	1，2
		4	2，1，3
5	2，4，1，3
		6	3，1，5，2，4

下面参照附图来说明各层板的子板的旋转角度的算法。

图4是平面反射镜基体的立体视图。图4中所示的反射镜基体具有3层拼板(N＝3)，每层拼板被分为3个(M＝3)全等的花瓣。图5是图4中所示的反射镜基体的镜面板的俯视图，其中，镜面面板被分为3个(M＝3)全等的花瓣8、9和10。图6是图4中所示的反射镜基体的中间加固板的俯视图，其中，中间加固板被分为3个(M＝3)全等的花瓣11、12和13。图7是图4中所示的反射镜基体的底板的俯视图，其中，底板被分为3个(M＝3)全等的花瓣14、15和16。

对于中间加固板，因为X＝1，M＝3，N＝3，所以中间加固板应相对于镜面板绕光轴旋转X*(360°/M)/N＝40°。

对于底板，因为X＝2，M＝3，N＝3，所以底板应相对于镜面板绕光轴旋转X*(360°/M)/N＝80°。

总之，为了使反射镜基体的刚度最大，最好使每层板的各个子板之间的连接处与相邻层板的子板之间的连接处尽可能远而均匀地隔开，以增加反射镜基体的结构的稳定性。

下面，参照附图详细说明根据本发明的实施例的反射镜基体的一种制造方法。

图4和图5示出了反射镜基体的简单生产过程。该过程包括以下步骤：

a)制作主模6，主模6具有与反射镜的镜面2相反的形状；

b)装配反射镜基体，并将其粘合，在热弯和热熔处理之前，位于不同层的支撑件上下对齐；

c)将反射镜基体均匀地放置在主模6的顶部，并且使反射镜镜面向下面对主模6的相应形状；

d)在炉中将装配的反射镜基体在预定温度下热弯热弯到主模6上；

e)在预定温度下进一步使得所有部件被热熔在一起，然后开始进行冷却和退火处理；

f)从主模6卸下反射镜基体，为后续处理作好准备。

期望的镜面板的形状可以是平面、凸面和凹面，而主模的形状与镜面板的形状相应，即主模的形状是与期望的镜面板的形状相对应的形状，从而使反射镜基体在热弯在主模上，形成平面、凸面或凹面的形状。

在上述方法中，如果镜面板本身已具有期望得到的形状，也可以通过粘接、焊接等其他方式将所述镜面板、中间加固板和底板结合起来，而不进行热弯和热熔。

根据本发明的反射镜基体，由于采用了一层或多层中间加固板，使得所有板和支撑件可使用薄的板材。一方面使重量大大减小，防止了由于重力作用引起的镜面的大的变形，另一方面，由于中间加固板的使用，保证了反射镜基体的刚度和结构的稳定性。

虽然优选地在同一反射镜中所有的拼板和支撑件厚度可以相同，但是这不是必须的。与现有的反射镜基体不同，本发明适用于制造各种尺寸的反射镜基体，而且对于各种尺寸的反射镜基体都可使用同一厚度的板材。这在很大程度上简化了反射镜基体的制造过程，并且显著地降低了生产成本。

具体地，本领域技术人员应该理解，在反射镜基体中，支撑件的实际布置和数量、拼板的层数、分割的形状，拼板的拼装方案不限于这里所作的详细描述，而是由权利要求所限定。

另外，应该理解，装配的反射镜基体的热弯和热熔处理的细节对于本发明的发明特征不是限制性。

虽然为了示意性和描述的目的对本发明的示例性的实施例进行了上述描述，但是该意图不是穷举或限制本发明。可对上述教导进行各种修改和变化。因此，本发明的范围不限于这里所作的详细描述，而是由权利要求所限定。

Claims (24)

1、一种多层反射镜基体，包括：

镜面板；

底板，布置在镜面板的下面；

至少一层中间加固板，布置在镜面板和底板之间；和

多个支撑件，布置在所述镜面板、中间加固板和底板中的相邻各层板之间，使所述镜面板、中间加固板和底板结合为一体，

其中，布置在所述各层板之间的支撑件与其他层之间的支撑件上下对齐。

2、如权利要求1所述的多层反射镜基体，其中，所述镜面板、底板和中间加固板中的至少一个由多个子板拼接而成。

3、如权利要求2所述的多层反射镜基体，其中，所述子板为六边形或花瓣形。

4、如权利要求2所述的多层反射镜基体，其中，所述子板之间的拼接处相对于相邻层的子板之间的拼接处错开预定角度和/或位置。

5、如权利要求4所述的多层反射镜基体，其中，所述多个子板是相同形状的单层花瓣形，下层子板相对于镜面板旋转的角度为X×(360°/M)/N，其中，N为反射镜基体的板的总层数，M为每层板的子板的个数，X为不能重复的从1到N-1之间的整数，X的选择使子板的拼接均匀分布。

6、如权利要求1-5中的任一项所述的多层反射镜基体，其中，所述支撑件为实心支撑件。

7、如权利要求1-5中的任一项所述的多层反射镜基体，其中，所述支撑件为圆柱形或棱柱形。

8、如权利要求1-5中的任一项所述的多层反射镜基体，其中，所述支撑件和所述各层板通过焊接或热熔组装在一起。

9、如权利要求1-5中的任一项所述的多层反射镜基体，其中，所述各层板的厚度相同。

10、如权利要求9所述的多层反射镜基体，其中，支撑件的高度和所述各层板的厚度相等。

11、如权利要求1-5中的任一项所述的多层反射镜基体，其中，支撑件的最大宽度等于镜面板的厚度。

12、如权利要求1-5中的任一项所述的多层反射镜基体，相邻支撑件之间的距离等于镜面板厚度的4至10倍。

13、如权利要求1-5中的任一项所述的多层反射镜基体，其中，所述反射镜基体的最大长度是所述反射镜基体的总厚度的5至10倍。

14、如权利要求13所述的多层反射镜基体，其中，所述反射镜基体的最大长度为所述反射镜基体的总厚度的6倍。

15、一种制造多层反射镜基体的方法，包括以下步骤：

(a)通过支撑件将镜面板、至少一层中间加固板以及底板结合为一体，其中，所述至少一层中间加固板布置在镜面板和底板之间，支撑件布置在镜面板、中间加固板和底板中的相邻各层板之间，从而形成多层反射镜基体，

其中，所述步骤(a)还包括将每层支撑件与其他层的支撑件上下对齐。

16、如权利要求15所述的方法，还包括如下步骤：

(b)将装配的反射镜基体放入热处理炉中；

(c)热熔装配的反射镜基体，使得所有部件被热熔在一起，然后进行冷却和退火处理。

17、如权利要求15所述的方法，还包括如下步骤：

(b)制作主模，所述主模的形状与期望获得的反射镜镜面的形状相对应；

(c)将反射镜基体均匀地放置在主模的顶部，并且使反射镜镜面向下面对主模；

(d)在炉中将装配的反射镜基体在预定温度下热弯到主模上；

(e)在预定温度下进一步使得所有部件被热熔在一起，然后进行冷却和退火处理；和

(f)从主模卸下反射镜基体。

18、如权利要求17所述的方法，其中，从步骤(f)获得的基体的镜面板的形状为凸面、凹面或平面。

19、如权利要求15所述的方法，其中，所述镜面板、中间加固板和底板中的至少一个由多个子板拼接而成。

20、如权利要求19所述的方法，其中，所述子板为六边形或花瓣形。

21、如权利要求19所述的方法，其中，所述步骤(a)还包括每层子板之间的拼接处相对于相邻层的子板之间的拼接处错开预定角度和/或位置的步骤，使子板之间的拼接处布置得均匀。

22、如权利要求15-21中的任一项所述的方法，相邻支撑件之间的距离等于镜面板厚度的4至10倍。

23、如权利要求15-21中的任一项所述的方法，所述反射镜基体的最大长度是所述反射镜基体的总厚度的5至10倍。

24、如权利要求23所述的方法，所述反射镜基体的最大长度为所述反射镜基体的总厚度的6倍。

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