CN100418675C - 锗单晶非球面光学元件的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非球面光学元件的加工技术，主要用于锗单晶非球面光学元件的加工。其主要技术特征是：用计算机数控车床及金刚石圆弧刀具对锗单晶进行切削加工，采用新工艺流程：I下料、II粗磨、III吸附夹具的设计制造、IV元件半精加工、V元件精加工、VI检测面型、VII精修面型等，以及选择了合理的工艺参数。本发明从根本上克服了用传统抛光工艺方法加工锗单晶非球面光学元件存在效率低、成本高、尺寸和面型精度难以保证的缺陷。达到了能够批量生产、质量稳定、效率显著提高的预期效果。

Description

锗单晶非球面光学元件的加工方法

一、技术领域

本发明属于一种光学元件的加工技术，主要用于对红外光学材料——锗单晶非球面光学元件的制作。

二、背景技术

通过检索，未发现与此相同或相似的技术报道，目前，对锗单晶非球面光学元件的加工，主要采用传统的抛光工艺技术(出自我厂多年生产用的工艺技术资料)，其主要工艺流程为：

，一般情况下，只对2次非球面光学元件的加工，对于高次非球面(10次以上)来说，勉强可以进行加工，但制作出的元件存在着周期长、成本高、精度难以保证的缺陷。

本发明的主要技术任务是：根据传统的抛光工艺加工锗单晶非球面光学元件的不足，寻找一种新的方法来对锗单晶非球面光学元件的加工，实现生产效率大幅度的提高，精度质量得到保证，适应红外光学系统向短、小、精方向的发展，以满足市场需求。

三、发明内容

本发明的主要技术方案：采用计算机数控车床及金刚石圆弧刀具，对锗单晶进行切削加工。其工艺流程：I、下料、II、粗磨、III、吸附夹具的设计制造、IV、元件半精加工、V、元件精加工、VI、检测面型、VII、精修面型。

所加工出的光学元件，无须再抛光，即可得到符合技术要求的光学级表面，即：粗糙度Ra值优于0.012微米，效率与原来传统式抛光工艺无法相比，至少提高数十倍以上，元件合格率达百分之百，尤其是对于直径Φ5-Φ120毫米的非球面光学元件加工，效率和质量更显著。

四、附图说明

图1，是本发明的工艺流程图，也是本发明的主要技术方案图。

图2，是本发明的真空吸附弹性夹具图。

图3，是本发明的2次非球面光学元件加工实施例图。

图4，是本发明的10次非球面光学元件加工实施例图。

图5，是本发明的15次非球面光学元件加工实施例图

图6，是本发明的20次非球面光学元件加工实施例图。

五、具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

对于2-20次锗单晶非球面光学元件的加工，采用计算机数控车床及金刚石圆弧刀具对锗单晶进行切削加工，采用合理的工艺方法和检测手段，得到符合技术要求的非球面光学元件。

参照图1，本发明按如下工艺流程进行：

I、下料。用内圆切片机对锗单晶进行切割下料。

II、粗磨。1、根据设计的非球面方程，计算出最佳匹配半径，依据半径值，在元件上铣磨出非球面的初步形状。2、铣磨出初步形状的同时，要控制好元件有效半径上某一点的圆周上两面的等厚差，其厚度应相等，其偏差小于0.05毫米。3、进行磨边和拖边。

所需设备：球面铣磨机、定心磨边机及平面铣磨机。

III、吸附夹具的设计制造。粗磨完工后，根据毛坯元件的尺寸、形状，设计制作出相应的吸附式弹性夹具，基本结构形式如图2所示，属于弹性夹持方式。元件和夹具装夹配合间隙小于0.01毫米。

所需设备：数控金刚石车床、铣床。

IV、元件半精加工。将粗磨完工后的毛坯元件，用弹性夹具在金刚石车床上装夹好，快速去除余量，使非球面初步或粗成型。

所需设备：数控金刚石车床。

工艺参数：车床主轴转速在2200-2600转/分，切深0.01-0.04毫米，进给量保持在6毫米/分左右。

V、元件精加工。半精加工完工后，在金刚石车床上进行精加工，使非球面精确成型。

所需设备：数控金刚石车床。

VI、检测面型。用接触式精密轮廓分析仪按技术条件进行尺寸、面型精度的工序检测，如有不合格的，转计算机补偿修正工序进行修正。

VII、精修面型。将精确成型合格的非球面元件，在金刚石车床上进一步加工出光学级表面。

所需设备：数控金刚石车床。

工艺参数：车床主轴转速在2550-2700转/分，切深0.003-0.01毫米，进给量1-2毫米/分。

参照图2、本发明的吸附式弹性夹具结构由吸面座1和夹紧套2组成。H面为被吸附面，I台阶孔为定位孔，与元件配合间隙小于0.01毫米。

实施例一、加工2次非球面元件，如图3所示，材料：锗单晶，非球面顶点半径R₀₁＝146.22毫米，外径Φ_1外＝106±0.02毫米，内径Φ₁＝98毫米，非球面有效半径＝Φ₁/2＝98/2＝49毫米，中心厚度δ₁＝10.25±0.01毫米，2次非球面方程：Y²＝2R₀₁X-(K+1)X²，其中Y表示非球面上任意一点距非球面顶点的垂直距离，即称弧高，X是非球面有效半径49毫米以内任意一点数据，K表示面型系数，K＝0.1038。

I、下料。用内圆切片机对锗单晶进行切割下料。

II、粗磨。将未知数输入方程，X在这里取了15个点，即：3.266、6.533、9.800、13.066、16.333、19.600、22.866、26.133、29.400、32.666、35.933、39.200、42.466、45.733、49.000，通过15次以上的计算和综合数据处理及相关的数学运算，最后得出最佳匹配半径SR₁＝191.09毫米。根据SR₁值先铣磨出非球面B1面，以B1面为基准，按照R₁＝146.22±0.0002毫米铣磨出球面A₁面，同时用考表仪测量控制好两面的等厚差，等厚差不超过0.05毫米，中心点厚度控制到10.48毫米左右即可，在铣磨A₁面后，不取下元件，一次铣磨外圆尺寸到Φ_1外106毫米。

III、根据粗磨后的元件尺寸、形状，按图2基本结构，设计制作出相应的吸附式弹性夹具。

IV、元件半精加工。元件毛坯完工后，用夹具在金刚石车床上装夹好，就可以进行半精加工，要求加工出球面A₁面和非球面B₁面的面型。进一步去除余量，中心点厚度控制到10.3毫米左右即可，保证元件两面的厚度差小于0.01毫米，工艺参数：主轴转速2200转/分，切深0.04毫米，进给量6毫米/分。

V、元件精加工。半精加工完工后，进入精加工，用金刚石车床先加工A₁面和A₁面边缘的平面，以A₁面为基准再加工B₁面，所加工尺寸及面型精度符合工序要求。

VI、检测面型。用接触式精密轮廓分析仪，按技术条件进行检测，不合格的及时用计算机补偿修正的方法很快得到修正。再转下道工序。

VII、精修面型。精加工完工合格后，就可以在金刚石车床上进一步加工出光学级表面。工艺参数：主轴转速2600转/分，切深0.003毫米，进给量1.5毫米/分。

实施例二：加工10次非球面元件，如图4所示，材料：锗单晶，非球面顶点半径R₀₂＝82.8769毫米，外径Φ_2外＝94±0.02毫米，非球面有效半径＝Φ_2外/2＝94/2＝47毫米，内径Φ₂＝87毫米，中心厚度δ₂＝8.5±0.01毫米，非球面方程： $Y={\mathrm{CX}}^2/1+\sqrt{[1-(1+K)C^2{X}^2]}+{\mathrm{AX}}^4+{\mathrm{BX}}^6+{\mathrm{DX}}^8+{\mathrm{EX}}^{10},$ 其中Y表示弧高，X表示非球面有效半径47毫米以内任意一点的数据，K＝-0.111468；A、B、D、E为高次项系数，分别为A＝0.000、B＝-2.242、D＝3.593、E＝1.995，C表示曲率，C＝1/R₀₂＝1/82.876＝0.012066。

I、下料。用内圆切片机切割下料。

II、粗磨。将未知数输入方程，这里X在47毫米以内取了15个点，即：3.133、6.266、9.400、12.533、15.666、18.800、21.933、25.066、28.200、31.333、34.466、37.600、40.733、43.866、47.000，通过15次的计算和综合数据处理，最后计算出最佳匹配半径SR₂，SR₂＝83.68毫米。根据SR₂值，先铣出非球面A₂面，以A₂面为基准，按R₂值109.71±0.0005毫米铣磨出B₂面，在铣磨过程中，用考表仪控制好两面的等厚差，等厚差不超过0.05毫米，在此元件中，中心点厚度铣磨到8.74毫米左右即可，同时铣磨完B₂面后，不取下元件，铣磨外圆到尺寸Φ_2外94毫米。

III、根据粗磨后的元件尺寸、形状，按图2基本结构，设计制作出相应的吸附弹性夹具。

IV、元件半精加工。元件毛坯完工后，在金刚石车床上，用夹具装夹好后，进行半精加工，要求加工出非球面A₂面和球面B₂面面形，去除余量，中心厚度尺寸控制在8.55毫米左右，保证元件两面等厚差小于0.01毫米，工艺参数：主轴转速2400转/分，切深0.03毫米，进给量6毫米/分。

V、元件精加工。半精加工完工后，用金刚石车床进行精加工，先加工B₂面，然后以B₂面为基准加工非球面A₂面，所加工尺寸面型精度符合工序要求。如B₂面有划痕，可在车床上进行处理。

VI、检测面型。用接触式精密轮廓分析仪，按技术条件进行检测，不合格的及时用计算机补偿修正的方法很快得到修正。

VII、精修面型。精加工完工后，就在金刚石车床上进一步加工出光学级表面。其工艺参数为：主轴转速2550转/分，切深0.01毫米，进给量2毫米/分。

实施例三，加工15次非球面元件，如图5所示，材料：锗单晶，非球面顶点半径R₀₃＝182.096毫米，外径Φ_3外＝108±0.02毫米，直径Φ₃＝96±0.02毫米，非球面有效半径＝Φ_3外/2＝108/2＝54毫米，中心厚度δ₃＝11.5±0.01毫米，非球面方程： $Y={\mathrm{CX}}^2/1+\sqrt{[1-(1+K)C^2{X}^2]}+{\mathrm{AX}}^3+{\mathrm{BX}}^5+{\mathrm{CX}}^7+{\mathrm{EX}}^9+{\mathrm{FX}}^{11}+{\mathrm{GX}}^{13}+{\mathrm{HX}}^{15},$ 其中Y表示弧高，K＝-3.9827，X为半径54毫米以内任意一点上的数据。A、B、D、E、F、G、H为高次项系数，A＝-7.408、B＝-1.334、D＝2.585、E＝-2.483、F＝1.221、G＝-2.989、H＝2.892、C＝1/R₀₃＝1/182.096＝0.00549。

I、下料。用内圆切片机对锗单晶进行切割下料。

II、粗磨。将未知数输入方程，X这里取15个点即：3.600、7.200、10.800、14.400、18.000、21.600、25.200、28.800、32.400、36.000、39.600、43.200、46.800、50.400、54.000、通过15次的计算和综合数据处理，计算出最佳匹配半径SR₃＝163.86毫米。先按R₃＝135.52毫米铣磨B₃面，铣磨完工后，以它为定位基准，根据SR₃值铣磨出非球面A₃面。其中用考表仪控制好两面的等厚差不超过0.05毫米。中心厚度控制在11.96毫米左右，在铣磨A₃面的同时，铣磨外圆尺寸到Φ_3外108毫米。

III、吸附夹具的设计制造。椐据粗磨后的元件尺寸、形状，按图2基本结构，设计制造出相应的吸附弹性夹具。

IV、元件半精加工。元件毛坯完工后，装夹好，就可以进行半精加工，在金刚石车床上加工出非球面A₃和球面B₃的面形，去除余量，中心厚度尺寸控制在11.55毫米左右，保证元件两面等厚差小于0.01毫米，工艺参数：主轴转速2600转/分，切深0.02毫米，进给量6毫米/分。

V、元件精加工。半精加工完工后，进行元件的精加工，在金刚石车床上先加工B₃面，以B₃面为基准，加工A₃面，所加工尺寸和面型精度符合工序要求。如B₃面上有划痕，可在金刚石车床上进行处理。

VI、检测面型。用接触式精密轮廓分析仪，按技术条件检测，不合格的及时用计算机补偿修正的方法可很快得到修正，再转下道工序。

VII、精修面型。精加工完工后，在金刚石车床上进一步加工出光学级表面。工艺参数：主轴转速2700转/分，切深0.01毫米，进给量2毫米/分。

实施例四，加工20次非球面元件，如图6所示，材料：锗单晶，其中B₄面为非球面，R₀₄＝396.64毫米，直径Φ₄＝26±0.02毫米，非球面有效半径＝Φ₄/2＝26/2＝13毫米，中心厚度δ₄＝3±0.01毫米，20次非球面方程： $Y={\mathrm{CX}}^2/1+\sqrt{[1-(1+K)C^2{X}^2]}+{\mathrm{AX}}^4+{\mathrm{BX}}^6+{\mathrm{DX}}^8+{\mathrm{EX}}^{10}+{\mathrm{FX}}^{12}+{\mathrm{GX}}^{14}+{\mathrm{HX}}^{16}+{\mathrm{IX}}^{18}+{\mathrm{JX}}^{20},$ 其中K＝8.5352766、A＝-1.3177、B＝2.1784、D＝3.3527、E＝-2.2237、F＝1.4926、G＝-1.5539、H＝8.5284、I＝1.0783、J＝-4.8288，C＝1/R₀₄＝1/396.64＝0.00252，Y表示弧高，X是非球面有效半径13毫米以内任意一点的数据。

I、下料。用内圆切片机切割下料。

II、粗磨。将未知数输入方程，这里X取15个点：0.866、1.733、2.600、3.466、4.333、5.200、6.066、6.933、7.800、8.666、9.533、10.400、11.266、12.133、13.000，通过15次的计算和综合数据处理，最后计算出最佳匹配半径SR₄＝109.30毫米，根据R₄＝245.5±0.0005毫米值先铣磨出球面A₄面。又按SR₄值铣磨出非球面B₄面，铣B₄面时以A₄面为基准，用考表控制好两面的等厚差不超过0.03毫米。中心厚度控制到4.8毫米左右，在加工完B₄面的同时，铣磨外圆尺寸到Φ₄26毫米。

III、吸附夹具的设计制造。根据粗磨后的元件尺寸、形状，按图2基本结构，设计制造出相应的吸附弹性夹具。

IV、元件半精加工。元件毛坯完工后，在金刚石车床上用夹具装夹好后，进行半精加工，要求加工出球面A₄面和非球面B₄面面形，去除余量，中心厚度尺寸控制在3.05毫米左右，保证元件两面等厚差小于0.01毫米，工艺参数：主轴转数2550转/分，切深0.01毫米，进给量6毫米/分。

V、元件精加工。半精加工完工后，在金刚石车床上装夹好后进行精加工，先加工A₄面，然后以A₄面为基准加工B₄面，所加工尺寸面型精度符合工序要求。如果A₄面上有划痕，可在非球面B₄面加工完工后，可进行一次处理，这道小工序仍在金刚石车床上进行。

VI、检测面型。用接触式精密轮廓分析仪，按技术条件进行检测，不合格的及时用计算机补偿修正方法很快得到修正。再转下道工序。

VII、精修面型。元件精加工完工后，就在金刚石车床上进一步加工出光学级表面。其工艺参数为：主轴转速2600转/分，切深0.008毫米，进给量1毫米/分。

以上仅列举2次、10次、15次及20次锗单晶非球面光学元件的加工实例，均为批量生产，合格率在百分之百，完全达到本发明的目的。

Claims (2)

1. 一种锗单晶非球面光学元件的加工方法，含有工序I下料、II粗磨，其特征是：用计算机数控车床及金刚石圆弧刀具对锗单晶进行切削加工，采用工艺流程：

III、吸附夹具的设计制造，粗磨完工后，根据毛坯元件的尺寸、形状，设计制作出相应的吸附式弹性夹具；

IV、元件半精加工，将粗磨完工后的毛坯元件，用弹性夹具在金刚石车床上装夹好，快速去除余量，使非球面初步成型，工艺参数：车床主轴转数2200-2600转/分，切深0.02-0.04毫米，进给量6毫米/分左右；

V、元件精加工，元件半精加工完工后，在金刚石车床上进行精加工，使非球面精确成型；

VI、检测面型，用接触式精密轮廓分析仪按技术条件进行尺寸、面型精度的工序检测，如有不合格的，转计算机补偿修正工序进行修正；

VII、精修面型，将精确成型合格的非球面元件，在金刚石车床上进一步加工出光学级表面，工艺参数：车床主轴转速：2550-2700转/分，切深0.003-0.01毫米，进给量1-2毫米/分。

2. 根据权利要求1所述的锗单晶非球面光学元件的加工方法，其特征是：吸附式弹性夹具结构由吸面座(1)和夹紧套(2)组成。

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