CN102837228B - 非球面光学零件短流程加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非球面光学零件短流程加工方法，包括以下步骤：先对非球面光学零件进行研磨粗抛，并视情况利用磁流变进行损伤去除；然后通过面形误差测量得到的面形误差峰谷值与面形误差的均方根值的比值来判断，如果比值小于10时，进入磁流变修形迭代加工步骤去除低频面形误差，直到达到面形精度要求结束加工；否则，采用计算机控制小工具光顺迭代加工步骤去除中、高频面形误差，直到面形误差测量与分析结果显示面形误差峰谷值与面形误差均方根值的比值小于10时，进入磁流变修形迭代加工步骤去除低频面形误差，直到面形精度满足要求。本发明的加工方法具有高效率、高精度的优点。

Description

非球面光学零件短流程加工方法

技术领域

本发明涉及光学零件的加工方法，尤其涉及一种非球面光学零件的加工方法。

背景技术

非球面的制造非常复杂，需要专门测量系统，传统加工方法虽然已经比较成熟，但是需要专业的工匠技艺，确定性差，手工修抛的效率非常低。

传统的计算机控制小工具(磨头)抛光可以消除研磨粗抛后剩余的研磨损伤，并对面形具有光顺效应，但是数控小工具抛光技术，虽然得到了一定的发展，但由于小磨头加工非球面时，抛光盘与镜面不能完全“贴合”，导致抛光胶与抛光液的浓度不能保持长久稳定，使得传统的计算机小磨头加工“去除函数”在加工过程中不能保持稳定，加工收敛比较慢，需要大量的迭代加工，成本难于控制。

磁流变抛光技术可以克服传统抛光的这些限制，其确定性高的特点可以带来高的收敛比，特别是在精加工阶段。磁流变抛光是一种可控柔体抛光，抛光液与镜面接触形成“柔性抛光膜”通过数控的方法使抛光液在镜面上的截流状态保持高度稳定性，具有确定性高，精度高等优点，但其在去除中高频误差上也有局限性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有非球面光学零件加工工艺加工周期长、确定性低的不足，提供一种高效率、高精度的非球面光学零件短流程加工方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种非球面光学零件短流程加工方法，主要包括以下步骤：

(a)研磨粗抛：对非球面光学零件进行研磨粗抛后，如果所述非球面光学零件表面出现损伤，利用磁流变进行损伤去除，否则，进入步骤(b)；

(b)面形误差检测与分析：通过面形误差测量得到面形误差峰谷值与面形误差的均方根值，然后根据面形误差峰谷值与面形误差的均方根值的比值来判断，即如果所述比值小于10时，进入下述步骤(c1)，否则，进入下述步骤(c2)；

(c)继续选择性加工：所述选择性加工过程包括

(c1)采用磁流变修形迭代加工步骤去除低频面形误差，直到达到面形精度要求结束加工，否则，回到步骤(b)；或

(c2)采用计算机控制小工具光顺迭代加工步骤去除中、高频面形误差，直到面形误差测量与分析结果显示面形误差峰谷值与面形误差均方根值的比值小于10时，进入所述步骤(c1)。

上述非球面光学零件短流程加工方法中，优选的，所述步骤(c1)中磁流变修形迭代加工时，所用的抛光液为氧化铈磁流变液，抛光轮转速为100rpm～300rpm，抛光液液体流量为60Lit/Hour～180Lit/Hour。

上述非球面光学零件短流程加工方法中，优选的，所述步骤(c2)中计算机控制小工具光顺迭代加工时，所用的抛光磨料为氧化铈。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的非球面光学零件短流程加工方法，是利用磁流变非球面修形的高确定性与计算机控制小工具抛光对非球面中高频的光顺作用，在非球面加工中组合运用两种抛光工艺，提高了非球面加工效率；其中，单独利用计算机控制小工具(磨头)加工非球面镜面时，可以去除非球面镜面的中、高频误差，但抛光盘与镜面不能完全“贴合”，抛光胶与抛光液的浓度不能保持稳定，使得传统的小磨头加工去除函数在加工过程中不能保持稳定，而单独利用磁流变抛光在修形中具有很高的确定性，可以去除大部分的低频误差，但对中、高频段的面形误差的修形能力受到一定的限制，本发明通过对两种工艺各自优势的充分利用，能提高加工效率，节省加工时间。

附图说明

图1为本发明实施例中离轴非球面反射镜短流程加工的工艺流程图。

图2为本发明实施例中的离轴非球面反射镜经过研磨粗抛后，计算机控制小工具光顺前的面形误差分布图。

图3为本发明实施例中的离轴非球面反射镜经过前期计算机控制小工具光顺迭代加工步骤后的面形误差分布图。

图4为本发明实施例中的离轴非球面反射镜经过磁流变修形迭代加工步骤后的面形误差分布图。

图5为本发明实施例中的离轴非球面反射镜在磁流变修形迭代加工步骤后、磁流变精修步骤之前经过一次计算机控制小工具光顺后的面形误差分布图。

图6为本发明实施例中的离轴非球面反射镜经过磁流变精修步骤得到的面形误差分布图。

图7为本发明实施例中加工过程中离轴非球面反射镜面形误差峰谷值PV值的收敛曲线分布图。

图8为本发明实施例中加工过程中离轴非球面反射镜面形误差均方根植RMS值的收敛曲线分布图。

图9为本发明实施例中的离轴非球面反射镜经过前期计算机控制小工具光顺迭代加工步骤后的PSD分析曲线图。

图10为本发明实施例中的离轴非球面反射镜经过后期计算机控制小工具光顺迭代加工步骤后的PSD分析曲线图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例：

选择一块φ＝290mm的离轴非球面反射镜进行抛光实验。本实施例中描述的离轴非球面反射镜为二次曲面，其几何尺寸φ＝290mm，有效通光口径顶点曲率半径R＝1006mm，二次项常数k＝-1，α₁，α₂，α₃，α₄均为0，离轴量为250mm，面形精度要求有效通光口径优于λ/50RMS，其中λ＝632.8nm。

首先，对于以Z为轴的旋转曲面形成的离轴非球面反射镜在三维坐标系中，通常采用下式来描述：

$Z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{\α}}_1{r}^4+{\mathrm{\α}}_2{r}^6+{\mathrm{\α}}_3{r}^8+{\mathrm{\α}}_4{r}^{10}$

式中r²＝x²+y²，x为旋转曲面上点(x，y)的X轴坐标，y为旋转曲面上点(x，y)的Y轴坐标，c＝1/R，R为顶点曲率半径；k为二次项常数；α₁，α₂，α₃，α₄为高次非球面偏离系数。

下面按照图1的步骤对φ＝290mm离轴非球面反射镜进行加工，工艺方法如下：

(1)研磨粗抛：对离轴非球面反射镜进行研磨粗抛后，观测离轴非球面反射镜没有明显的表面损伤，进入步骤(2)。

(2)面形误差测量与分析：本实施例中采用Zygo激光波面干涉仪(型号为GPI XP/D)进行面形误差测量，得到PV值和RMS值，然后计算此时PV/RMS＝11.84，同时，Zygo测试系统给出的经过步骤(1)的离轴非球面反射镜面形误差分布图如图2所示，即存在明显的中高频误差，不利于磁流变修形，进行步骤(3)。

(3)前期计算机控制小工具光顺迭代加工：本实施例中，采用一台型号为星云-600的计算机小工具抛光研磨一体设备来进行此步骤，选用氧化铈作为抛光磨料，沥青盘直径为40mm，偏心距为8mm。

步骤(3)开始时，先用上述抛光设备进行一次光顺，光顺完成后进行面形误差测量和PSD分析，分析结果若显示中、高频误差未出现明显下降，则继续进行光顺，直至分析结果显示工件的中、高频误差出现下降，然后回到步骤(2)进行PV/RMS值分析；如果PV/RMS大于或等于10，则依照本步骤重复进行下一次的光顺过程，如果小于10，则进入到步骤(4)。

本步骤的光顺迭代加工过程共经过了四次光顺迭代加工，加工后的PSD分析曲线如图9所示。本步骤的前期计算机控制小工具光顺迭代加工过程共耗时约40h，最后一次计算机控制小工具光顺过程结束后，经过面形误差分析得到PV/RMS＝9.82(小于10)，此时面形误差分布图如图3所示，对比图2与图3可以看出，离轴非球面反射镜表面质量得到很大改善，误差分布也比较平顺，精度也得到提高，但还存在明显的低频面形误差，此时进入步骤(4)。

(4)磁流变修形迭代加工：首先将Zygo激光波面干涉仪对离轴非球面反射镜进行补偿器零位检验得到的面形误差数据畸变处理后导入到磁流变抛光设备(市售型号KDUPF-700-7)附带的磁流变抛光工艺软件中进行驻留时间解算，并采用该磁流变抛光设备进行磁流变修形迭代加工步骤，其基本的工艺参数为：抛光液为氧化铈磁流变液、抛光轮转速为200rpm、液体流量为130Lit/Hour，本步骤中经过约8小时的磁流变修形三次迭代加工，每次磁流变修形结束后首先通过Zygo激光波面干涉仪测试软件检验工件是否达到面形精度要求(λ/50RMS)，由于本步骤中的三次迭代加工均未达到前述面形精度的要求，所以每次磁流变修形加工步骤结束后都回到Zygo激光波面干涉仪测试软件进行面形误差分析，分析方法和判断标准参见步骤(2)，本步骤中前两次磁流变修形加工结束后，经面形误差分析得到的PV/RMS值均小于10，所以继续进行第三次的磁流变修形迭代加工，但第三次磁流变修形加工步骤结束后，经过面形误差分析得到PV/RMS＝18.69，此时面形误差分布如图4所示，即存在明显的中高频面形误差，此时进入步骤(5)。

(5)后期计算机控制小工具光顺迭代加工：本步骤的光顺迭代加工及结束条件可参见步骤(3)。本步骤中共经过了两次光顺迭代加工，加工后的PSD分析曲线如图10所示。本步骤的光顺迭代加工过程共耗时约3h，最后一次计算机控制小工具光顺过程结束后，经过面形误差分析得到PV/RMS＝8.84(小于10)，即面形误差中的中、高频误差再次得到抑制，但加工过程产生了一定的边缘效应，且存在明显的低频面形误差，此时面形误差分布图如图5所示，此时进入步骤(6)。

(6)磁流变迭代精修：首先将离轴非球面镜的Zygo激光波面干涉仪补偿器零位检验的结果进行畸变处理后，同样导入到上述的磁流变抛光工艺软件进行驻留时间解算；然后使用步骤(4)中的设备并参照步骤(4)的工艺参数和方法进行本步骤，与步骤(4)不同，本步骤采用较小磁流变去除函数尺寸及峰值效率(不同材料峰值效率不同，一般采用原去除函数尺寸及效率1/3～1/2的去除函数进行最后的精度提升)，从而提高磁流变去除低频误差的能力；本实施例中经过三次约5小时磁流变迭代精修，每次磁流变精修结束后首先通过Zygo激光波面干涉仪测试软件检验是否达到面形精度要求λ/50RMS，本实施中前两次均没未达到此要求，所以每次磁流变修形加工步骤结束后都回到Zygo激光波面干涉仪测试软件进行面形误差分析，分析原理和方法参照步骤(2)，本步骤中前两次经过面形误差分析得到的PV/RMS值均小于10，所以持续到第三次磁流变精修，直到第三次磁流变精修结束后，通过Zygo激光波面干涉仪测试软件检验达到了有效通光口径面形精度优于λ/50RMS的要求，如图6所示。

结论：这是一个典型的非球面光学零件短流程加工工艺过程，整个抛光过程耗时约60个小时，由于本实施例中离轴非球面反射镜粗抛光不彻底，大部分的工时用于面形的光顺与损失去除，如图7为本发明实施例中加工过程中PV值的收敛曲线分布图，图8为本发明实施例中加工过程中RMS值的收敛曲线分布图，从图7和图8中可知，由于离轴非球面在粗加工阶段面形误差相对于同轴光学零件难以控制，采用计算机控制小工具光顺的方法控制面形误差的分布与磁流变迭代修形组合的方式，大大提高了非球面抛光效率，提升了非球面光学零件加工精度。

Claims (3)

1.一种非球面光学零件短流程加工方法，主要包括以下步骤：

a、研磨粗抛：对非球面光学零件进行研磨粗抛后，如果所述非球面光学零件表面出现损伤，利用磁流变进行损伤去除，否则，进入步骤b；

b、面形误差测量与分析：通过面形误差测量得到面形误差峰谷值与面形误差的均方根值，然后根据面形误差峰谷值与面形误差均方根值的比值来判断，即如果所述比值小于10时，进入下述步骤c1，否则，进入下述步骤c2；

c、继续选择性加工：所述选择性加工过程包括

c1、采用磁流变修形迭代加工步骤去除低频面形误差，直到达到面形精度要求结束加工，否则，回到步骤b；或

c2、采用计算机控制小工具光顺迭代加工步骤去除中、高频面形误差，直到面形误差测量与分析结果显示面形误差峰谷值与面形误差均方根值的比值小于10时，进入所述步骤c1。

2.根据权利要求1所述的非球面光学零件短流程加工方法，其特征在于：所述步骤c1中磁流变修形迭代加工时，所用的抛光液为氧化铈磁流变液，抛光轮转速为100rpm～300rpm，抛光液液体流量为60Lit/Hour～180Lit/Hour。

3.根据权利要求1或2所述的非球面光学零件短流程加工方法，其特征在于：所述步骤c2中计算机控制小工具光顺迭代加工时，所用的抛光磨料为氧化铈。