本發(fā)明涉及光學儀器中的光機零件，具體是指一種耦合了光學面型和鏡片支撐結構的一體化反射鏡件的優(yōu)化設計方法和加工流程。

背景技術：

伴隨信息技術的快速發(fā)展，超精密車削技術和光學設計技術不斷進步。自上世紀以來，單點金剛石車削技術在航空航天遙感和諸多民用領域已得到了廣泛應用，可實現(xiàn)光學面型亞微米級和表面粗糙度納米級的精度，能滿足較高精度的光學面型需求。其加工對象包括軟金屬、塑料玻璃和脆性紅外材料等。同時，光學設計技術也通過引入深度非球面和復雜面型來平衡像差、簡化光路、壓縮體積、提高光學系統(tǒng)性能參數(shù)。

對于應用在精密光學儀器中的反射鏡，尤其是復雜曲面鏡，單點金剛石車削是一種可選的加工方式?？紤]到儀器輕小型化的需求，可將光學面型和鏡體支撐結構耦合設計在同一零件上，既可以實現(xiàn)光線反射又可以作為鏡框安裝到光學系統(tǒng)框架上；相比于同時含有光學元件和結構鏡框的光機組件，很大程度上壓縮了支撐結構的體積重量，而且光機一體化零件可靠性更高。

對于面型精度較高的反射鏡，既要考慮光學面型精度，也要考慮其它方面的要求，包括光學系統(tǒng)裝配裝調時鏡件初始位置精度、無應力裝配以及雜散光抑制等。針對這些要求，本發(fā)明對這種光機集成鏡件的設計方法和加工流程進行了優(yōu)化設計，可用來獲得較高精度的光機集成鏡件。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術問題是：基于上述已有技術存在的一些問題，本發(fā)明的目的是設計一種光機集成鏡件，對其裝配結構的優(yōu)化設計，確保其裝配面可通過單點車削技術達到光學級的共面精度；對其加工流程的優(yōu)化設計，可精準控制鏡件光學面型和結構外形之間的形位關系、鏡件裝配面共面度以及與雜散光相關的鏡件表面處理。

本發(fā)明涉及的光機集成鏡件如圖1所示，在單個材料基底上耦合設計了光學面型與鏡片支撐結構。

如圖2所示，鏡件與光學系統(tǒng)框架通過安裝凸耳相連，凸耳裝配面的設計需滿足，在裝配面加工過程中，在鏡件繞軸旋轉過程中，機床刀具與鏡件上其它部位沒有結構干涉，以便采用單點金剛石車削技術實現(xiàn)凸耳裝配面的光學級共面精度。所述的凸耳裝配面的設計，車削加工軸心與光學面型車削加工軸心不一定是同一點。所述的凸耳裝配面的設計，凸耳上設計有雙面沉孔，既可以用來定位鏡件進行背面車削加工，又可以定位鏡件進行光學面型車削加工，沉孔沉頭深度設計需滿足螺釘頭不妨礙機床刀具車削鏡件背面和凸耳裝配面。

光機集成鏡件的加工流程為(1)材料熱處理：將鏡件的原材料浸液氮后再升至200℃高溫，兩個循環(huán)，高低溫停留時間根據(jù)實際需要和材料種類而定。(2)機械粗加工：在機械精加工前先將鏡件結構尺寸加工到一定程度，留有機械精加工的余量，待進行熱處理以減小或盡量消除材料加工應力。(3)鏡坯熱處理：將鏡件的鏡坯浸液氮后再升至200℃高溫，一個循環(huán)，盡量消除加工應力。(4)背面車削：采用單點金剛石車削技術對鏡件背面進行光學加工，控制2微米以內的光學級平面度，為確保之后的光學面型加工精度。(5)機械精加工：光機集成鏡件除涉及到光學面以外的尺寸和形位加工到位，鏡件厚度留有光學面型加工的車削余量。(6)發(fā)黑：在鏡件的所有表面都進行發(fā)黑，既要使發(fā)黑層滿足雜散光抑制需求，也要滿足鏡件背面的車削面平面度下降低于50％。(7)上盤調整：在光學面型加工前，鏡件在機床旋轉盤上的位置精確調整，通過三坐標檢測和輔助工裝調整，控制光學面型相對于鏡件外形基準的形位精度在設計公差范圍內。(8)光學鏡面加工：通過凸耳裝配面上的沉孔將其固定在機床旋轉盤上，采用單點金剛石車削技術對光學面進行車削加工。(9)面形檢測：通過干涉儀、輪廓儀或者三坐標等測量儀器，對光學面型進行檢測，給光學加工反饋信息。(10)凸耳鏡面加工：通過凸耳裝配面上的沉孔將其固定在機床旋轉盤上，采用單點金剛石車削技術對凸耳安裝面進行車削加工，使其度達到光學級的共面精度。(11)鍍膜：對光學面鍍反射光學薄膜，薄膜種類依據(jù)實際工程需求而定。

本發(fā)明組件的優(yōu)點是：對于有較高面型精度要求的反射鏡，尤其是非球面反射鏡和復雜面型的自由曲面反射鏡，單點金剛石車削是一種首選的加工方式，這種情況下，采用本發(fā)明的鏡件優(yōu)化設計和加工流程，能獲得高精度的裝配面共面度、較高光學面型精度和結構形位精度，有利于光學系統(tǒng)的裝配裝調。同時，光機集成鏡件不存在光學元件和配套結構鏡框間由于材料不同而造成的熱不匹配，具有較強熱適應性和可靠性。此外，高精度光機集成鏡件的實現(xiàn)，能使光學系統(tǒng)設計采用深度非球面和復雜面型曲面，增加光學設計自由度，使光學系統(tǒng)性能更高、光學結構更簡單且體積更輕小緊湊。

附圖說明

圖1為光機集成鏡件示意圖，

圖中：(a)為前視圖，(b)為背視圖。

圖2為凸耳裝配面優(yōu)化設計示意圖，

圖中：(a)為前視圖，(b)為背視圖。

圖3為光機集成鏡件的加工流程圖。

圖4為具體實施方式的光機集成鏡片設計圖。

圖5為具體實施方式的光機集成鏡片成品圖。

具體實施方式

某紅外成像光譜儀中的一塊偶次非球面反射鏡如圖4所示，其光學面尺寸為44mm×34mm，鏡件基底材料為鋁t6061，光學面型加工軸心為點o，三個安裝凸耳的加工軸心為點o′，兩者相距5.30mm。如此，三個凸耳可通過單點金剛石車削技術，繞點o′對其進行車削，使得三個凸耳安裝面的共面度達到光學級精度，小于2微米，可滿足鏡件到光學系統(tǒng)框架上的無應力高精度裝配，對光學面型的影響甚微。

按照圖3的加工流程研制出上述光機集成鏡件，其光學面鍍銀膜加保護膜，除凸耳安裝面和光學面以外，其它表面均為發(fā)黑面。鏡件光學面型精度pv值為0.1339μm,rms值為23.0674nm。

技術特征：

技術總結
本發(fā)明公開了一種光機集成鏡件及制造方法。安裝凸耳設計滿足在鏡件繞軸旋轉過程中，機床刀具與鏡件上其它部位沒有結構干涉，通過單點金剛石車削技術實現(xiàn)凸耳安裝面的光學級共面精度；鏡件的加工流程為：材料熱處理—機械粗加工—鏡坯熱處理—背面車削—機械精加工—發(fā)黑—上盤調整—光學鏡面加工—面形檢測—凸耳鏡面加工—鍍膜。本發(fā)明中的光機集成鏡件，凸耳安裝面的光學級共面度使得鏡件裝配和熱應力變形??；通過本發(fā)明中的鏡件加工流程，可獲得光學面型精度高和鏡體結構形位精度高的集成鏡件。其體積小、重量輕、成本低、精度高，適合在輕小緊湊、環(huán)境適應性要求高的光學儀器中使用。

技術研發(fā)人員：袁立銀;何志平;謝佳楠;呂剛
受保護的技術使用者：中國科學院上海技術物理研究所
技術研發(fā)日：2017.05.27
技術公布日：2017.10.20