[发明专利]具有高刚度基材的反射光学元件

说明书

本文描述了用于光学元件的高刚度基材。所述基材包含石墨精整层和非氧化物陶瓷基底基材。非氧化物陶瓷基底基材优选是碳化物，例如碳化硼或碳化硅。石墨精整层可包含具有低精整度的表面。低精整度可通过对石墨表面进行金刚石车削来实现。可利用焊料将石墨精整层接合至非氧化物基底陶瓷。可在石墨精整层上形成补充精整层。可在石墨或补充精整层上形成反射层叠件。本文还描述了用于制造基材的方法。

本申请依据35U.S.C.§119要求于2016年3月18日提交的系列号为62/310201的美国临时申请的优先权，本文以该申请的内容为基础并通过引用将其全文纳入本文。

领域

本说明书涉及光学元件。更具体而言，本说明书涉及具有高刚度基材和低精整度表面的光学元件。

背景

尺寸、重量和功率(SWAP)是要用于便携性和移动性具有优势的应用中的光学系统的关键设计参数。尺寸和重量受到光学设计的直接影响，而功率则受到间接影响，因为更轻的系统需要更小的功率来移动。

光学系统的设计选择通常是基于折射光学元件或反射光学元件。当设计重量轻的光学系统时，一些因素倾向于使用反射光学元件。首先，使系统中光学元件的数量降到最少能够减轻系统的重量。然而，保持具有较少元件的系统的性能需要使用具有精密的非球面或自由曲面的光学件。这种光学件最好通过能够被金刚石车削的材料来得到。

第二，在通过单一孔聚焦所有谱带的设计中，多谱系统的尺寸和重量可减轻。由于折射率的波长依赖性，利用折射光学件难以实现多谱聚焦。而反射光学件则能够轻易地在较宽的光谱范围内将光线聚焦成共同的焦点。

第三，可通过将各个光学元件的重量降到最低来减轻系统重量。可通过例如结构优化(诸如使光学元件薄化)来减重。然而，对于折射光学件而言薄化是不现实的，因为屈光力需要光学件具有足够的厚度。相反，反射光学件中的光学效应只取决于表面区域，且将支承反射表面的基材薄化至与机械完整度要求相一致的程度通常是可能的。

第四，可通过为光学元件选择低密度材料来减轻系统重量。穿过折射光学件的透射率需求限制了材料的选择，并且阻碍了多种优选基材的使用。用于反射元件的基材所受到的限制要少得多。即使特定的基材材料在目标谱带上具有较差的反射，通常也可通过在基材表面沉积反射薄膜来实现所需的性能。

基于上述考量，采用特征在于表面能够进行金刚石车削以实现低精整度的低密度、结构优化镜面的反射光学件已成为宽谱带或多谱带便携式光学系统的优选设计选择。

随着新应用的不断涌现，对于反射光学元件提出了更高的要求。目前这是对能够在航空航天和商用应用中的动态条件下保持精密图像的轻量化反射光学元件的需求。就商用应用而言，高速扫描仪要求重量轻的镜面，以在极端的震荡或旋转加速度负荷下保持反射表面平整度。就空中监视和侦察应用而言，要求重量轻的镜面，以在飞行器震动和热环境下保持精确的图像。就航天应用而言，要求重量轻的镜面，以在各种启动和/或太空飞行器加速和热环境下保持精确的图像。就太空飞行器而言，由于将卫星发射入宇宙时每磅所产生的成本，重量也是一个主要考量。并且，就太空环境而言，阻隔宇宙辐射的材料经常有利于和/或被需要用于保护探测器。

对于在严苛条件下保持精确图像的重量轻的镜面的需要激发了对于展现出高刚度的新型低密度基材的研究。

发明简述

本公开提供了一种用于光学元件的高刚度基材。所述基材包含石墨精整层和非氧化物陶瓷基底基材。非氧化物陶瓷基底基材优选是碳化物，例如碳化硼或碳化硅。石墨精整层包含具有低精整度的表面。低精整度通过对石墨表面进行金刚石车削或抛光来实现。可利用焊料将石墨精整层接合至非氧化物基底陶瓷。可在石墨精整层上形成补充精整层。可在石墨或补充精整层上形成反射层叠件。本文还描述了用于制造基材的方法。

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