CN100422786C - 一种非球面光学元件的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非球面光学元件的制作方法，其特征在于，包括下列步骤：(1)根据需制备的非球面光学元件的参数，确定非球面托盘和球面毛坯的参数；(2)采用常规球面工艺制作球面毛坯，粗铣非球面托盘；(3)将球面毛坯置于非球面托盘上，升温至毛坯对应的软化温度，保温5至25分钟；(4)降温至常温；(5)将与非球面托盘接触的面加工为球面，即获得一面为非球面，另一面为球面的所需非球面光学元件。本发明采用非接触式热成型方法实现非球面光学元件的制作，无需高精度的非球面铣磨机或非球面抛光机，大大降低了加工难度；获得的非球面元件的一致性高，表面光洁度高。

Description

一种非球面光学元件的制作方法

技术领域

本发明涉及一种光学元件的加工制作方法，具体涉及一种单面非球面光学元件的制作方法。

背景技术

光学系统中使用非球面光学元件，可以相对容易地矫正多种像差，从而比单纯使用球面元件得到更好的成像效果。一个或者多个非球面元件能代替多个球面元件，从而简化仪器结构，降低成本并有效减轻仪器体积和重量。

随着对光学系统要求的提高，非球面光学元件在军用和民用光电产品上都得到了广泛的应用，其在相机镜头、电视摄像管、变焦镜头、卫星红外望远镜、录像机镜头、录像和录音光盘读出头、条形码读出头、光纤通信的光纤接头、医疗仪器中得到广泛的应用。由此导致对非球面光学元件的需求量进一步增加。

现有技术中，常见的非球面光学元件制作方法包括采用计算机控制的高精度切削技术、磨削技术及超精密抛光(研磨)技术。超精密抛光是加工速度极慢的一种加工方法，当零件的表面粗糙度要求很高时，如果采用强制进给的方法进行切削或进行磨削时，其形状精度将直接受到机床进给定位精度的影响，而超精密抛光则可以获得优于0.01μm的加工精度。

用单点控制除去厚度的抛光方法能够制造高精度的非球面零件，和一般的球面光学元件加工方法相比，这种加工方法费时费力，并且用这种方法制作非球面元件，制作出来的非球面元件表面的高频误差比球面元件的表面高频误差要厉害得多。为了廉价地制作出高频误差低的光学非球面元件，近年来开发出注射成型以及模压成型技术。用这两种方法快速经济地制作非球面元件。塑料透镜注射成形是将熔化的单体注入模具内，一边施加压力，一边冷却固化的加工方法，这种方法能够廉价地批量生产，但塑料本身存在的一些问题，如温度变化、吸湿会导致透镜折射率的变化。

玻璃的模压成形是代替切削、磨削、研磨加工透镜、棱镜的最佳的小型元件大批量生产方法。模压成形技术是将模具内的温度控制在冲压的玻璃转移温度以上软化温度以下，在模具内，进入有流动性的玻璃，加压成形，并且保持这种状态20秒以上，直到成形了的玻璃温度分布均匀，由此获得与模具精度相近的光学元件。

然而，这种模压成形方法，获得的非球面光学元件的表面是与模具接触的，因此需要高精度的非球面抛光，从而在进行模具加工时十分困难而费时。

发明内容

本发明目的是提供一种加工工艺条件要求较低，能够获得极高的表面光洁度的非球面光学元件的制作方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种非球面光学元件的制作方法，包括下列步骤：

(1)根据需制备的非球面光学元件的参数，确定非球面托盘和球面毛坯的参数；

(2)采用常规球面工艺制作球面毛坯，粗铣非球面托盘；

(3)将球面毛坯置于非球面托盘上，升温至毛坯对应的软化温度，保温5至25分钟；

(4)降温至常温；

(5)将与非球面托盘接触的面加工为球面，即获得一面为非球面，另一面为球面的所需非球面光学元件。

上述技术方案中，所述步骤(1)中，根据需制备的非球面光学元件的面型要求，利用玻璃元件变化前后体积相等的原理获得球面毛坯的面型数据以及非球面托盘的面型数据。上述计算应力求成型过程中毛坯变化量最小。

进一步的技术方案，先设定一组球面毛坯库，根据所需的球面毛坯的面型数据，在球面毛坯库中选择最接近的球面毛坯，然后进行回代计算，得到非球面托盘的面型数据。由于采用设定的球面毛坯库中的球面毛坯数据，可以进一步方便球面毛坯的制作。

优选的技术方案是，所述非球面托盘采用陶瓷材料制作。对于非球面托盘，原则上应选用透气性好、热变形小、热性能稳定、不易风化的耐火材料，一般情况下以采用耐高温抗风化的陶瓷材料为宜。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明采用非接触式热成型方法实现非球面光学元件的制作，无需高精度的非球面铣磨机，也无需高精度的非球面抛光机；

2.本发明的方法与热压技术不同，热压技术元件的非球面面型与模具接触，而本发明方法元件的非球面面型与模具不接触，因而，其表面光洁度取决于球面加工时的表面光洁度，与非球面的模具或托盘无关，由此大大降低了加工难度，并且在高温下，毛坯表面的微小裂纹会自动收敛；

3.由于球面毛坯的一致性容易控制，制作获得的非球面元件的一致性高；

4.本发明获得的非球面元件，表面光洁度比传统方法高，并且，用本方法制作出来的非球面光学元件，面形误差p-v在5um内，局部误差良好，表面高频误差低。

附图说明

附图1为本发明实施例一变形前的结构示意图；

附图2为实施例一变形后的结构示意图。

其中：1、球面毛坯；2、非球面托盘。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见附图1至附图2所示，一种非球面光学元件的制作方法，包括下列步骤：

(1)先设定一组球面毛坯库，根据需制备的非球面光学元件的参数，在力求热成型过程中毛坯变化量最小的基础上，利用玻璃元件变化前后体积相等的原理获得理想的球面毛坯的面型数据以及非球面托盘的面型数据，据此在球面毛坯库中选择最接近的球面毛坯，然后进行回代计算，得到实际采用的非球面托盘的面型数据。

(2)采用常规球面工艺制作球面毛坯1，粗铣非球面托盘2；

(3)将球面毛坯1置于非球面托盘2上，放入热成型炉内，将炉内温度升至玻璃毛坯对应的软化温度，保温5至25分钟；

(4)降温至常温，取出半成品；

(5)将与非球面托盘接触的面加工为球面，即获得一面为非球面，另一面为球面的所需非球面光学元件。

本实施例中，所述非球面托盘采用陶瓷材料制作。

实施例二：一种非球面光学元件的制作方法，本实施例的非球面元件为弯月型镜片。其凹面为非球面，其表面描述方程为

$z=\frac{{\mathrm{cx}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{x}^2}}+\underset{i=2}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{2i}{x}^{2i}$

其中：z是x点处的矢高，c＝1/R，k为二次曲线常数，A₂～A₁₆为高次项，

凹面数据为：

c＝0.003945

k＝20.571

A₄＝1.7233e-005

A₆＝-9.7003e-008

A₈＝2.6821e-010

A₁₀＝-3.9606e-013

A₁₂＝3.2093e-016

A₁₄＝-1.3459e-019

A₁₆＝2.2828e-023

其凸面为R＝145的球面，厚度为4。

在力求热成型过程中毛坯变化量最小的基础上，利用玻璃元件变化前后体积相等的原理，经过计算，我们使用如下要求的玻璃毛坯：

上表面(凹面)曲率半径为：80，下表面(凸面)曲率半径为：100，厚度为8；

同时得到描述托盘表面的非球面参数：

c＝1/120；

k＝0；

A₄＝+9.25e-7；

A₆＝-1.322e-10；

A₈＝+1.38e-13；

A₁₀＝-4.045e-17；

A₁₂＝0；

A₁₄＝0；

A₁₆＝0；

采用常规球面工艺制作球面毛坯，粗铣非球面托盘；

将球面毛坯置于非球面托盘上，放入热成型炉内，将炉内温度升至玻璃毛坯对应的软化温度，保温5至25分钟；

降温至常温，取出半成品；

将背面加工成R＝145的凸面，并且保证厚度为4，那么就得到要求的非球面元件了。

Claims (4)

1. 一种非球面光学元件的制作方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)根据需制备的非球面光学元件的参数，确定非球面托盘和球面毛坯的参数；

(2)采用常规球面工艺制作球面毛坯[1]，粗铣非球面托盘[2]；

(3)将球面毛坯[1]置于非球面托盘[2]上，升温至毛坯对应的软化温度，保温5至25分钟；

(4)降温至常温；

(5)将与非球面托盘接触的面加工为球面，即获得一面为非球面，另一面为球面的所需非球面光学元件。

2. 根据权利要求1所述的非球面光学元件的制作方法，其特征在于：所述步骤(1)中，根据需制备的非球面光学元件的面型要求，利用玻璃元件变化前后体积相等的原理获得球面毛坯的面型数据以及非球面托盘的面型数据。

3. 根据权利要求2所述的非球面光学元件的制作方法，其特征在于：先设定一组球面毛坯库，根据所需的球面毛坯的面型数据，在球面毛坯库中选择最接近的球面毛坯，然后进行回代计算，得到非球面托盘的面型数据。

4. 根据权利要求1所述的非球面光学元件的制作方法，其特征在于：所述非球面托盘采用陶瓷材料制作。

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