一種非球面鏡的加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光學(xué)元件的加工，具體涉及一種旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面鏡的加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]非球面光學(xué)元件是一種非常重要的光學(xué)元件，它可以獲得球面光學(xué)元件所無可比擬的成像質(zhì)量，在光學(xué)系統(tǒng)中能夠很好地矯正多種像差，改善成像質(zhì)量，提高系統(tǒng)鑒別能力；在光學(xué)系統(tǒng)中，能以一個(gè)或幾個(gè)非球面元件代替多個(gè)球面元件，從而簡(jiǎn)化儀器結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、縮短筒長、并有效地減輕儀器的重量；同時(shí)非球面光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能使計(jì)算方法大為簡(jiǎn)化。鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，研究開發(fā)新的非球面光學(xué)元件的加工和檢測(cè)技術(shù)一直是本領(lǐng)域的重要任務(wù)。
[0003]隨著計(jì)算機(jī)數(shù)控單點(diǎn)金剛石技術(shù)、超精密磨削技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成形技術(shù)等非球面加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，目前非球面光學(xué)元件的制造技術(shù)已從傳統(tǒng)的手工修改球形表面發(fā)展到計(jì)算機(jī)控制確定性的加工過程。然而這種技術(shù)高度依賴精密復(fù)雜結(jié)構(gòu)的儀器設(shè)備，眾所周知這些高精密光學(xué)加工儀器設(shè)備又嚴(yán)重依賴進(jìn)口，其設(shè)備價(jià)格昂貴且設(shè)備使用后期維護(hù)成本高，只有國內(nèi)少部分科研機(jī)構(gòu)或者大型企業(yè)有實(shí)力使用這些設(shè)備來加工非球面。
[0004]實(shí)際上在我國光學(xué)加工領(lǐng)域，采用最多的技術(shù)路線依然是先制造出與非球面相比最為接近的球面，然后依靠精密研磨、精密拋光等工序，多周期修正最接近球面與非球面的偏差量，直至最終達(dá)到圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。衡量每一過程加工質(zhì)量的指標(biāo)是:面形誤差的收斂速度、下表面破壞層深度的控制、邊緣磨削量的控制即邊緣效應(yīng)的去除。上述環(huán)節(jié)解決的好壞將直接影響到被加工工件的表面質(zhì)量，處理好這些技術(shù)難點(diǎn)多年來一直為各國光學(xué)技術(shù)人員所關(guān)注。然而，在傳統(tǒng)研磨工藝中，保持壓力恒定，靠控制磨頭在工件表面的駐留時(shí)間來控制去除量，當(dāng)磨頭移動(dòng)到工件邊緣而不露邊時(shí)，由于最邊緣區(qū)域的相對(duì)加工時(shí)間小于中間區(qū)域，則去除量減少，工件發(fā)生“翹邊”；反之，當(dāng)磨頭部份露出工件邊緣時(shí)，由于相對(duì)壓力增大，使邊緣區(qū)域去除量增加，工件發(fā)生“塌邊”，這兩種現(xiàn)象被稱為邊緣效應(yīng)。
[0005]除此之外，如圖1所示，傳統(tǒng)二次凹非球面K〈0，相比最為接近的球面2的材料去除分布曲線為W形，如圖7中17所示，材料去除分布在口徑0.707處最低，中心和邊緣高。在研磨
0.707帶外的邊緣時(shí)由于邊緣效應(yīng)的存在若磨盤不出邊則最低帶慢慢向外邊緣移，如圖2所示，隨著最低帶外移磨盤尺寸逐漸減小相應(yīng)去除效率也降低;若磨盤出邊則在工件邊緣塌邊，如圖3所示，塌邊后即在邊緣很窄的帶內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)誤差峰值，如要去除這個(gè)峰值需要花費(fèi)大量的精力相應(yīng)去除效率也減小。正是由于邊緣效應(yīng)的存在，以往的最接近球0.707帶外的誤差非常難處理。若在研磨階段工件0.707之外邊緣處理不好會(huì)嚴(yán)重影響到后期的拋光進(jìn)程，嚴(yán)重阻礙面形誤差收斂，在一定程度上影響了非球面加工的效率和增大了加工難度。在傳統(tǒng)的工藝中處理邊緣效應(yīng)的技術(shù)方案有一下三種，1.直接研磨，隨著鏡面上最低帶的外移逐步縮小研磨盤的尺寸，經(jīng)過多次反復(fù)加工外邊緣的誤差逐步縮小，這種加工方式會(huì)在處理邊緣上耗費(fèi)大量的時(shí)間，且由于使用的磨盤逐步變小容易磨出更多的高低起伏的碎帶，如圖4所示，嚴(yán)重影響拋光階段邊緣面形誤差的收斂速度;2.加大初始工件口徑尺寸，研磨階段處理鏡面0.707外邊緣翹邊所產(chǎn)生的碎帶位置出現(xiàn)在非球面實(shí)際口徑之外，完成拋光后將初始工件尺寸磨削至非球面實(shí)際口徑尺寸;這種加工方式實(shí)際上是加工了一個(gè)口徑比實(shí)際要求口徑大的非球面，把與研磨拋光過程中邊緣問題通過余量磨削的方式去除，顯然增加了材料成本，3.拼接，加工一個(gè)內(nèi)徑與待加工非球面口徑相同的環(huán)形護(hù)環(huán)，通過粘結(jié)工藝將護(hù)環(huán)與待加工工件粘結(jié)為一個(gè)整體，研磨拋光時(shí)護(hù)環(huán)承受了邊緣效應(yīng)的影響，加工結(jié)束后將護(hù)環(huán)拿下，這種加工方式會(huì)增加加工工藝的難度，且粘結(jié)后容易在工件上產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力分布，待加工過程結(jié)束卸下護(hù)環(huán)后由于粘結(jié)產(chǎn)生的應(yīng)力釋放，已經(jīng)加工好的鏡面表面產(chǎn)生非常大的局部誤差，對(duì)加工好的鏡面重新修正局部誤差勢(shì)必延長了加工周期。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的發(fā)明目的是提供一種旋轉(zhuǎn)對(duì)稱凹二次非球面鏡的加工方法，不需要依賴高精復(fù)雜儀器設(shè)備，不需要花費(fèi)特別精力處理0.707帶外邊緣誤差，避免研磨階段受邊緣效應(yīng)影響工件0.707帶外邊緣處理效率低的技術(shù)問題。
[0007]為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種非球面鏡的加工方法，用于加工圓錐常數(shù)K〈0旋轉(zhuǎn)對(duì)稱凹二次非球面鏡，包括先按照非球面結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)并加工起始球面的步驟，再通過研磨修正起始球面與非球面面形誤差的步驟，使用檢測(cè)設(shè)備測(cè)試面形誤差指導(dǎo)研磨拋光的步驟，所述起始球面的口徑D與非球面的口徑相等，起始球面的曲率半徑R等于非球面母線方程中頂點(diǎn)與該非球面母線上1.414D 口徑處的第一點(diǎn)、第二點(diǎn)連接構(gòu)成的三角形的外接圓半徑。
[0008]上述技術(shù)方案中，所述研磨修正起始球面與非球面面形誤差的步驟中，研磨所使用研磨盤為曲率半徑等于非球面最接近球曲率半徑的凸球面，研磨盤材料為玻璃，研磨方法為:以起始球面工件的側(cè)壁圓柱為基準(zhǔn)調(diào)整使其圓柱軸心線與轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸同軸，然后將其固定在在轉(zhuǎn)臺(tái)上，研磨時(shí)在工件待加工面均勻涂布研磨磨料，研磨盤在工件表面的運(yùn)動(dòng)行程為待加工面口徑直徑方向上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
[0009]優(yōu)選的技術(shù)方案，研磨盤的凸面上刻有若干條凹槽。
[0010]所述研磨修正起始球面與非球面面形誤差的步驟中，研磨盤移動(dòng)到工件邊緣而不露邊。
[0011]所述研磨修正起始球面與非球面面形誤差的步驟中，研磨所使用磨料的選用方法是:先判斷母線面形誤差的PV值，當(dāng)PV > 300微米時(shí)使用粒度W40的磨料研磨，當(dāng)30微米< PV<300微米使用粒度W28的磨料研磨，當(dāng)5微米< PV<30微米使用粒度W14的磨料研磨，當(dāng)PV< 5微米使用粒度Wl O的磨料研磨。
[0012]上述技術(shù)方案中，所述使用檢測(cè)設(shè)備測(cè)試面形誤差指導(dǎo)研磨拋光的步驟為:研磨階段母線面形誤差PV^ 5微米時(shí)使用輪廓儀測(cè)量母線，用母線上的誤差分布曲線指導(dǎo)研磨修正對(duì)稱性誤差，當(dāng)PV<5微米時(shí)，用輪廓儀測(cè)量測(cè)量整個(gè)鏡面，用三維面形誤差分布指導(dǎo)研磨修正局部非對(duì)稱誤差。
[0013]
由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn):
本發(fā)明克服了傳統(tǒng)加工工藝中，先加工最接近球面然后通過研磨加工將最接近球面改為非球面的過程中，由于邊緣效應(yīng)影響使工件邊緣去除量難以控制，嚴(yán)重阻礙面形誤差收斂，在一定程度上影響了非球面加工的效率和難度的技術(shù)問題;實(shí)現(xiàn)了不依賴高精復(fù)雜儀器設(shè)備，不需要花費(fèi)特別精力處理0.707帶外邊緣誤差，只需加工出本發(fā)明所述的起始球，按照傳統(tǒng)的工藝即可迅速完成后期光學(xué)加工的技術(shù)效果，特別適用旋轉(zhuǎn)對(duì)稱凹二次非球面鏡光學(xué)元件的加工。
[0014]本發(fā)明克服了傳統(tǒng)加工工藝中以最小材料去除量為目標(biāo)設(shè)計(jì)加工起始球面的技術(shù)偏見，通過刻意增加材料去除量的方式設(shè)計(jì)出的起始球面材料去除量在整個(gè)工件上呈現(xiàn)從邊緣到中心逐漸增大的分布;用較大尺寸研磨盤配合高