CN104759964B - 光学非球面元件的变形加工方法 - Google Patents

Abstract

光学非球面元件的变形加工方法，涉及光学加工领域，解决了现有光学非球面元件加工方法存在的加工时间长、成本高的问题。本发明针对所要加工的光学非球面元件设计一种特制的真空工装，使用真空装卡的方式，在真空装卡状态下光学非球面元件表面发生一定的形变，在此状态下采用球面光学元件的加工方式进行加工，具体为铣磨成型、精磨和抛光，加工完毕后取下真空工装，在非装卡状态下光学非球面元件的面形误差满足工艺设计要求。通过变形装卡实现光学非球面元件表面的加工，使用球面光学元件加工方式，针对局部光圈进行修正，有效地提高了光学非球面元件表面的加工效率，极大地缩短了加工时间，降低了加工成本，提高了加工精度。

Description

光学非球面元件的变形加工方法

技术领域

本发明涉及光学加工技术领域，具体涉及一种光学非球面元件的变形加工方法。

背景技术

光学非球面元件的表面曲率半径会随着与中心轴距离的变化而发生改变，因此主光线与旁轴光线可以得到不同的校正，以获得更高的成像质量，减少光学系统中必要的元件数量，降低光学系统的设计成本，因此光学非球面元件被广泛用于医疗、军事、航天等领域。

随着科学技术的发展，光学非球面元件也得到愈发广泛的应用。但是由于光学非球面元件的表面曲率半径并不一致，因此现有的光学非球面元件在制造时都是采用局部加工方式进行制造，成型时都是采用单点磨削方式进行铣磨，抛光时都是采用小工具进行抛光，按照上述这种方式加工时无法同时对整个光学非球面元件表面进行加工，相对于球面光学元件，在同样的精度要求下光学非球面元件表面的加工制造往往需要花费更长的加工时间，制造相对困难，制造周期延长，加工成本也随之升高。

发明内容

为了解决现有的光学非球面元件加工方法存在的加工时间长、成本高的问题，本发明提供一种光学非球面元件的变形加工方法，可以快速制造高精度的光学非球面元件。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的光学非球面元件的变形加工方法，包括以下步骤：

步骤一、光学非球面元件的表面母线方程，如式(1)所示：

式(1)中，Z(s)为垂直光轴的光学非球面元件的表面轮廓，s为光轴之间的径向距离，C为光学非球面元件的表面曲率，k为圆锥常数，A₄…A_2n为高次光学非球面系数，n为整数且n≥2；

步骤二、根据式(1)以及光学非球面元件厚度、口径、材料的物理性能设计真空工装，真空工装的表面母线方程，如式(2)所示：

Z(s)_base＝B₁s+B₂s²+B₃s³+…+B_ns_n (2)

式(2)中，B₁…B_n为高次光学非球面系数，s为光轴之间的径向距离，n为整数且n≥1；

真空工装中心设有真空导气孔，加工完成后检测真空工装表面，保证真空工装的加工误差与设计误差满足工艺设计要求；

步骤三、将光学非球面元件放置在真空工装上，对真空工装的真空导气孔抽真空，利用气压差将光学非球面元件固定在真空工装上，此时光学非球面元件表面由于气压差作用产生形变，记录并保持此时的气压差，同时计算此时的光学非球面元件表面变形量，得到光学非球面元件的初始面形误差；

步骤四、根据光学非球面元件表面的半径优化铣磨工艺参数，在真空装卡状态下，采用球面范成法利用碗型固着磨料的金刚石砂轮对光学非球面元件表面进行铣磨加工，加工完毕后在真空装卡状态下对光学非球面元件表面进行检测，在非装卡状态下对光学非球面元件表面进行复检，确保铣磨加工后的光学非球面元件的面形误差满足工艺设计要求；

步骤五、根据步骤三得到的光学非球面元件表面变形量和步骤四的铣磨加工结果优化抛光工艺参数，在真空装卡状态下，采用局部光圈修正方式利用抛光模对光学非球面元件表面进行抛光加工，同时利用样板法检测局部光圈，当局部光圈满足设计要求时，在非装卡状态下对光学非球面元件全口径进行检测，确保抛光加工后的光学非球面元件的面形误差满足工艺设计要求。

进一步的，步骤三中，光学非球面元件与真空工装安装完成后，光学非球面元件与真空工装的同心度小于0.01mm。

进一步的，步骤四和步骤五中，所述真空装卡状态指的是步骤三中光学非球面元件与真空工装安装完成后保持气压差的状态。

进一步的，步骤四中，所述非装卡状态指的是卸载真空工装后光学非球面元件恢复变形前的状态。

本发明的有益效果是：本发明针对所要加工的光学非球面元件设计一种特制的真空工装，使用真空装卡的方式，在真空装卡状态下光学非球面元件表面发生一定的形变，在此状态下采用球面光学元件的加工方式进行加工，具体为铣磨成型、精磨和抛光，加工完毕后取下真空工装，在非装卡状态下光学非球面元件的面形误差满足工艺设计要求。通过变形装卡实现光学非球面元件表面的加工，使用球面光学元件加工方式，针对局部光圈进行修正，有效地提高了光学非球面元件表面的加工效率，极大地缩短了加工时间，降低了加工成本，提高了加工精度，尤其改善了光学非球面元件表面波纹度误差，有利于实际生产中光学非球面元件的制造。

附图说明

图1为本发明的光学非球面元件的变形加工方法的元件装卡示意图。

图2为本发明的光学非球面元件的变形加工方法的铣磨加工示意图。

图3为本发明的光学非球面元件的变形加工方法的抛光加工示意图。

图中：1、光学非球面元件，2、真空工装，3、铣磨工具，4、抛光工具，5、真空导气孔，6、金刚石砂轮，7、磨料，8、抛光模。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明的一种光学非球面元件的变形加工方法，主要通过以下步骤实现：

步骤一、光学非球面元件1的表面母线方程，如式(1)所示：

式(1)中，Z(s)为垂直光轴的光学非球面元件1的表面轮廓，s为光轴之间的径向距离，C为光学非球面元件1的表面曲率，k为圆锥常数，A₄…A_2n为高次光学非球面系数，n为整数且n≥2。

步骤二、根据如式(1)所示的光学非球面元件1表面母线方程，同时根据光学非球面元件1的厚度、口径、材料的物理性能(光学非球面元件1通常为光学玻璃材料，这里所说的材料的物理性能主要是与光学非球面元件1表面变形相关的参数，通常指的是泊松比、杨氏模量等)，设计真空工装2，得到真空工装2的表面母线方程，如式(2)所示：

Z(s)_base＝B₁s+B₂s²+B₃s³+…+B_nsⁿ (2)

式(2)中，B₁…B_n为高次光学非球面系数，s为光轴之间的径向距离，n为整数且n≥1。

真空工装2中心设置有真空导气孔5，真空工装2加工完成后对其表面进行检测，保证真空工装2的加工误差与设计误差满足工艺设计要求。

针对步骤二举例来说：光学非球面元件1的表面母线方程为其中：光学非球面元件1的表面曲率C为0.005，正号表示凸面，圆锥常数k为-1，高次光学非球面系数A₄…A_2n均为零，光学非球面元件1的口径为100mm，计算出光学非球面元件1表面与其最佳内接球面的偏差分布，且最大偏差约为0.024mm，根据上述各参数设计真空工装2，真空工装2的表面母线方程为Z(s)_base＝B₁s+B₂s²+B₃s³+…+B_nsⁿ，其中：B₁…B_n为高次光学非球面系数，s为光轴之间的径向距离，n为整数且n≥1。精密加工后检测真空工装2表面误差应满足工艺设计要求。

步骤三、如图1所示，将光学非球面元件1下表面与真空工装2上表面贴合在一起，通过对真空工装2的真空导气孔5抽真空，从而利用气压差将光学非球面元件1固定在真空工装2上，此时光学非球面元件1表面由于气压差的作用产生一定的变形，记录并保持此时的气压差，同时计算此时光学非球面元件1的表面变形量，得到光学非球面元件1的初始面形误差，此时可以进行测量以确认光学非球面元件1的表面变形量计算的正确性。光学非球面元件1与真空工装2安装完成后，要保证光学非球面元件1与真空工装2的同心度小于0.01mm。

在真空条件下完成光学非球面元件1与真空工装2的安装，同时保持上述使光学非球面元件1表面产生变形的气压差，直到完成整个加工过程。

步骤四、如图2所示，铣磨加工过程在真空装卡状态下(指的是步骤三中光学非球面元件1与真空工装2安装完成后保持气压差的状态)进行。将碗型金刚石砂轮6安装在铣磨工具3上，金刚石砂轮6下端固着磨料7，通过优化计算出光学非球面元件1表面的半径，根据光学非球面元件1表面的半径优化设定铣磨工艺参数(包括工件摆角，主轴速度，进给速度等)，采用球面范成法对光学非球面元件1表面进行铣磨加工，加工完毕后在真空装卡状态下对光学非球面元件1表面进行检测，保证光学非球面元件1的面形误差满足工艺设计要求，在真空装卡状态下的铣磨加工结果可表示为具有一定曲率的光学非球面元件1的半径与特定面形误差的球面。在非装卡状态下(指的是卸载真空工装2后光学非球面元件1恢复变形前的状态)对光学非球面元件1表面进行重复检测，确保铣磨加工后的光学非球面元件1的面形误差满足工艺设计要求，并为后续抛光加工提供必要的参考条件。

铣磨加工使用固着磨料7的碗型金刚石砂轮6同时采用球面范成法进行加工，采用金刚石砂轮6实现了光学非球面元件1的全口径加工，具有较高的加工效率与加工精度。

步骤五、如图3所示，在真空装卡状态下完成抛光加工，抛光加工采用经典的球面抛光方式，将抛光模8安装在抛光工具4上，根据步骤三计算得到的光学非球面元件1的表面变形量和步骤四的铣磨加工结果优化抛光工艺参数(抛光模形状，摆角，转速等)，然后采用局部光圈修正的加工方式进行抛光加工，同时利用样板法对局部光圈进行检测，当局部光圈满足设计要求时，在非装卡状态下利用干涉仪对光学非球面元件1全口径进行检测，确保抛光加工后的光学非球面元件1的面形误差满足工艺设计要求。

抛光模8采用聚氨酯或沥青，抛光模8大小略大于光学非球面元件1口径，这样可以提高加工效率；在真空装卡状态下通过样板法局部对光学非球面元件1表面进行评价，有利于加工误差满足设计要求。

针对所加工的光学非球面元件1，设计并使用特制的真空工装2，在真空装卡状态下进行加工时光学非球面元件1表面发生一定的变形。在光学非球面元件1表面发生一定变形的条件下，采用球面加工方式对光学非球面元件1表面进行铣磨加工，在非装卡状态下光学非球面元件1的面形误差满足工艺设计要求，提高了加工效率和加工精度，极大地缩短了加工时间。抛光加工过程中需要针对局部光圈进行修正，有别于一般的球面均匀加工方式及非球面环带修整加工方式，提高了加工效率和加工精度，有利于加工误差满足设计要求。

Claims (4)

1.光学非球面元件的变形加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、光学非球面元件(1)的表面母线方程，如式(1)所示：

$Z\left(s\right)=\frac{{\mathrm{Cs}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)C^2{s}^2}}+A_4{s}^4+A_6{s}^6+...+A_{2n}{s}^{2n}---\left(1\right)$

式(1)中，Z(s)为垂直光轴的光学非球面元件(1)的表面轮廓，s为光轴之间的径向距离，C为光学非球面元件(1)的表面曲率，k为圆锥常数，A₄…A_2n为高次光学非球面系数，n为整数且n≥2；

步骤二、根据式(1)以及光学非球面元件(1)厚度、口径、材料的物理性能设计真空工装(2)，真空工装(2)的表面母线方程，如式(2)所示：

Z(s)_base＝B₁s+B₂s²+B₃s³+…+B_nsⁿ (2)

式(2)中，B₁…B_n为高次光学非球面系数，s为光轴之间的径向距离，n为整数且n≥1；

真空工装(2)中心设有真空导气孔(5)，加工完成后检测真空工装(2)表面，保证真空工装(2)的加工误差与设计误差满足工艺设计要求；

步骤三、将光学非球面元件(1)放置在真空工装(2)上，对真空工装(2)的真空导气孔(5)抽真空，利用气压差将光学非球面元件(1)固定在真空工装(2)上，此时光学非球面元件(1)表面由于气压差作用产生形变，记录并保持此时的气压差，同时计算此时的光学非球面元件(1)表面变形量，得到光学非球面元件(1)的初始面形误差；

步骤四、根据光学非球面元件(1)表面的半径优化铣磨工艺参数，在真空装卡状态下，采用球面范成法利用碗型固着磨料(7)的金刚石砂轮(6)对光学非球面元件(1)表面进行铣磨加工，加工完毕后在真空装卡状态下对光学非球面元件(1)表面进行检测，在非装卡状态下对光学非球面元件(1)表面进行复检，确保铣磨加工后的光学非球面元件(1)的面形误差满足工艺设计要求；

步骤五、根据步骤三得到的光学非球面元件(1)表面变形量和步骤四的铣磨加工结果优化抛光工艺参数，在真空装卡状态下，采用局部光圈修正方式利用抛光模(8)对光学非球面元件(1)表面进行抛光加工，同时利用样板法检测局部光圈，当局部光圈满足设计要求时，在非装卡状态下对光学非球面元件(1)全口径进行检测，确保抛光加工后的光学非球面元件(1)的面形误差满足工艺设计要求。

2.根据权利要求1所述的光学非球面元件的变形加工方法，其特征在于，步骤三中，光学非球面元件(1)与真空工装(2)安装完成后，光学非球面元件(1)与真空工装(2)的同心度小于0.01mm。

3.根据权利要求1所述的光学非球面元件的变形加工方法，其特征在于，步骤四和步骤五中，所述真空装卡状态指的是步骤三中光学非球面元件(1)与真空工装(2)安装完成后保持气压差的状态。

4.根据权利要求1所述的光学非球面元件的变形加工方法，其特征在于，步骤四中，所述非装卡状态指的是卸载真空工装(2)后光学非球面元件(1)恢复变形前的状态。