一种光机集成镜件及制造方法与流程

本发明涉及光学仪器中的光机零件，具体是指一种耦合了光学面型和镜片支撑结构的一体化反射镜件的优化设计方法和加工流程。

背景技术：

伴随信息技术的快速发展，超精密车削技术和光学设计技术不断进步。自上世纪以来，单点金刚石车削技术在航空航天遥感和诸多民用领域已得到了广泛应用，可实现光学面型亚微米级和表面粗糙度纳米级的精度，能满足较高精度的光学面型需求。其加工对象包括软金属、塑料玻璃和脆性红外材料等。同时，光学设计技术也通过引入深度非球面和复杂面型来平衡像差、简化光路、压缩体积、提高光学系统性能参数。

对于应用在精密光学仪器中的反射镜，尤其是复杂曲面镜，单点金刚石车削是一种可选的加工方式。考虑到仪器轻小型化的需求，可将光学面型和镜体支撑结构耦合设计在同一零件上，既可以实现光线反射又可以作为镜框安装到光学系统框架上；相比于同时含有光学元件和结构镜框的光机组件，很大程度上压缩了支撑结构的体积重量，而且光机一体化零件可靠性更高。

对于面型精度较高的反射镜，既要考虑光学面型精度，也要考虑其它方面的要求，包括光学系统装配装调时镜件初始位置精度、无应力装配以及杂散光抑制等。针对这些要求，本发明对这种光机集成镜件的设计方法和加工流程进行了优化设计，可用来获得较高精度的光机集成镜件。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：基于上述已有技术存在的一些问题，本发明的目的是设计一种光机集成镜件，对其装配结构的优化设计，确保其装配面可通过单点车削技术达到光学级的共面精度；对其加工流程的优化设计，可精准控制镜件光学面型和结构外形之间的形位关系、镜件装配面共面度以及与杂散光相关的镜件表面处理。

本发明涉及的光机集成镜件如图1所示，在单个材料基底上耦合设计了光学面型与镜片支撑结构。

如图2所示，镜件与光学系统框架通过安装凸耳相连，凸耳装配面的设计需满足，在装配面加工过程中，在镜件绕轴旋转过程中，机床刀具与镜件上其它部位没有结构干涉，以便采用单点金刚石车削技术实现凸耳装配面的光学级共面精度。所述的凸耳装配面的设计，车削加工轴心与光学面型车削加工轴心不一定是同一点。所述的凸耳装配面的设计，凸耳上设计有双面沉孔，既可以用来定位镜件进行背面车削加工，又可以定位镜件进行光学面型车削加工，沉孔沉头深度设计需满足螺钉头不妨碍机床刀具车削镜件背面和凸耳装配面。

光机集成镜件的加工流程为(1)材料热处理：将镜件的原材料浸液氮后再升至200℃高温，两个循环，高低温停留时间根据实际需要和材料种类而定。(2)机械粗加工：在机械精加工前先将镜件结构尺寸加工到一定程度，留有机械精加工的余量，待进行热处理以减小或尽量消除材料加工应力。(3)镜坯热处理：将镜件的镜坯浸液氮后再升至200℃高温，一个循环，尽量消除加工应力。(4)背面车削：采用单点金刚石车削技术对镜件背面进行光学加工，控制2微米以内的光学级平面度，为确保之后的光学面型加工精度。(5)机械精加工：光机集成镜件除涉及到光学面以外的尺寸和形位加工到位，镜件厚度留有光学面型加工的车削余量。(6)发黑：在镜件的所有表面都进行发黑，既要使发黑层满足杂散光抑制需求，也要满足镜件背面的车削面平面度下降低于50％。(7)上盘调整：在光学面型加工前，镜件在机床旋转盘上的位置精确调整，通过三坐标检测和辅助工装调整，控制光学面型相对于镜件外形基准的形位精度在设计公差范围内。(8)光学镜面加工：通过凸耳装配面上的沉孔将其固定在机床旋转盘上，采用单点金刚石车削技术对光学面进行车削加工。(9)面形检测：通过干涉仪、轮廓仪或者三坐标等测量仪器，对光学面型进行检测，给光学加工反馈信息。(10)凸耳镜面加工：通过凸耳装配面上的沉孔将其固定在机床旋转盘上，采用单点金刚石车削技术对凸耳安装面进行车削加工，使其度达到光学级的共面精度。(11)镀膜：对光学面镀反射光学薄膜，薄膜种类依据实际工程需求而定。

本发明组件的优点是：对于有较高面型精度要求的反射镜，尤其是非球面反射镜和复杂面型的自由曲面反射镜，单点金刚石车削是一种首选的加工方式，这种情况下，采用本发明的镜件优化设计和加工流程，能获得高精度的装配面共面度、较高光学面型精度和结构形位精度，有利于光学系统的装配装调。同时，光机集成镜件不存在光学元件和配套结构镜框间由于材料不同而造成的热不匹配，具有较强热适应性和可靠性。此外，高精度光机集成镜件的实现，能使光学系统设计采用深度非球面和复杂面型曲面，增加光学设计自由度，使光学系统性能更高、光学结构更简单且体积更轻小紧凑。

附图说明

图1为光机集成镜件示意图，

图中：(a)为前视图，(b)为背视图。

图2为凸耳装配面优化设计示意图，

图中：(a)为前视图，(b)为背视图。

图3为光机集成镜件的加工流程图。

图4为具体实施方式的光机集成镜片设计图。

图5为具体实施方式的光机集成镜片成品图。

具体实施方式

某红外成像光谱仪中的一块偶次非球面反射镜如图4所示，其光学面尺寸为44mm×34mm，镜件基底材料为铝t6061，光学面型加工轴心为点o，三个安装凸耳的加工轴心为点o′，两者相距5.30mm。如此，三个凸耳可通过单点金刚石车削技术，绕点o′对其进行车削，使得三个凸耳安装面的共面度达到光学级精度，小于2微米，可满足镜件到光学系统框架上的无应力高精度装配，对光学面型的影响甚微。

按照图3的加工流程研制出上述光机集成镜件，其光学面镀银膜加保护膜，除凸耳安装面和光学面以外，其它表面均为发黑面。镜件光学面型精度pv值为0.1339μm,rms值为23.0674nm。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种光机集成镜件及制造方法。安装凸耳设计满足在镜件绕轴旋转过程中，机床刀具与镜件上其它部位没有结构干涉，通过单点金刚石车削技术实现凸耳安装面的光学级共面精度；镜件的加工流程为：材料热处理—机械粗加工—镜坯热处理—背面车削—机械精加工—发黑—上盘调整—光学镜面加工—面形检测—凸耳镜面加工—镀膜。本发明中的光机集成镜件，凸耳安装面的光学级共面度使得镜件装配和热应力变形小；通过本发明中的镜件加工流程，可获得光学面型精度高和镜体结构形位精度高的集成镜件。其体积小、重量轻、成本低、精度高，适合在轻小紧凑、环境适应性要求高的光学仪器中使用。

技术研发人员：袁立银;何志平;谢佳楠;吕刚
受保护的技术使用者：中国科学院上海技术物理研究所
技术研发日：2017.05.27
技术公布日：2017.10.20