CN105690187B - 离轴非球面镜的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种离轴非球面镜的加工方法，包括：①设计回转非球面母体结构；②在母体毛坯件上开挖镶嵌子体结构的通孔；③子体与母体组合成圆柱型整体工件；④加工起始球面；⑤使用轮廓仪的面形误差检测结果指导研磨，修正起始球面与回转非球面间的面形误差；⑥使用干涉仪或刀口仪的面形误差检测结果指导抛光，抛光完成取出离轴非球面子体；其特征在于：所述起始球面的口径D与整体工件的圆柱直径相等，起始球面的曲率半径R等于回转非球面母线方程中的顶点与该回转非球面母线上1.414D口径处的第一点、第二点这三点所构成三角形的外接圆的半径。本发明解决了现有技术中边缘效应的影响问题，提高了非球面加工的效率，降低了加工难度。

Description

离轴非球面镜的加工方法
技术领域
本发明涉及一种光学元件的加工，具体涉及一种离轴非球面镜的加工方法。
背景技术
现有技术中，利用离轴非球面镜架构的光学系统具有组件少、无遮拦、长焦距、大视场、宽波段、抑制杂光能力强、调制传递函数高等特点，是空间光学系统、天文学和高精度测量系统不可或缺的光学器件。三镜反射系统是其最典型的应用，作为空间望远镜的核心部件，可以避免中心遮拦，还能减少系统体积和重量，同时提高系统的成像质量。鉴于以上优点，研究开发新的非球面光学元件的加工技术一直是光学加工领域研究的一项重要任务。
离轴非球面镜作为非球面的一部分，自身不具备轴对称性，是一种典型的自由曲面光学元件，这种形状给加工带来了困难。同时，离轴非球面镜的应用领域决定了它需要达到超精密加工要求，即不仅要求具有纳米量级的表面粗糙度，更要求具有微米甚至亚微米的面形精度。目前，普通非球面镜一般采用金刚石切削、研磨和抛光等技术加工，可达到超精密加工的要求。单点金刚石切削可实现光学质量表面的单工序加工，不需要研磨等复杂的后续工序；随着快刀和慢刀伺服的出现，为主轴的转动角度添加了反馈或控制，可实现离轴非球面的高效加工，目前非球面光学元件的制造技术已从传统的手工修改球形表面发展到计算机控制确定性的加工过程。
尽管目前已经发展了诸多如此先进的技术，然而其高度依赖精密复杂结构的仪器设备。众所周知，这些高精密光学加工仪器设备又严重依赖进口，其设备价格昂贵且设备使用后期维护成本高，只有国内少部分科研机构或者大型企业有实力使用这些设备来加工离轴非球面。实际上在我国光学加工领域，采用最多的技术路线依然是如附图1所示，依据非球面方程，由非球面母线1确定并制造出最为接近非球面的最接近球面2，然后依靠精密研磨、精密抛光等工序，多周期修正最接近球面与非球面的偏差量，直至最终得到图纸设计要求的非球面3。衡量每一过程加工质量的指标是：面形误差的收敛速度、下表面破坏层深度的控制、边缘磨削量的控制即边缘效应的去除。上述环节解决的好坏将直接影响到被加工工件的表面质量，处理好这些技术难点多年来一直为各国光学技术人员所关注。然而，在传统研磨工艺中，保持压力恒定，靠控制磨头在工件表面的驻留时间来控制去除量，当磨头移动到工件边缘而不露边时，由于最边缘区域的相对加工时间小于中间区域，则去除量减少，工件发生“翘边”；反之，当磨头部份露出工件边缘时，由于相对压力增大，使边缘区域去除量增加，工件发生“塌边”，离轴非球面镜尤其是矩形口径离轴非球面镜或者多边形口径离轴非球面镜，其边缘呈直线分布，且直线上各个点的面形误差不具有旋转对称性使得其边缘问题处理更为困难。
除此之外，二次凹非球面K<0时，离轴非球面拼接为回转对称非球面母镜的加工技术中，先在拼接后非球面母镜上加工出最接近球面然后通过研磨工艺修正为非球面，相比最为接近的球面的回转非球面母镜的材料去除分布曲线为W形，如附图7中11所示，材料去除分布在母镜口径0.707处最低，中心和边缘高。在研磨0.707带外的边缘时由于边缘效应的存在，若磨盘不出边则最低带慢慢向外边缘移，如图2所示，随着最低带外移磨盘尺寸逐渐减小相应去除效率也减小；若磨盘出边则在工件边缘塌边，如图3所示，塌边后即在边缘很窄的带内出现一个误差峰值，如要去除这个峰值需要花费大量的精力相应去除效率也减小。正是由于边缘效应的存在，以往的最接近球0.707带外的误差非常难处理。若在研磨阶段工件0.707之外边缘处理不好会严重影响到后期的抛光进程，严重阻碍面形误差收敛，在一定程度上影响了非球面加工的效率和增大了加工难度。
在传统的工艺中处理边缘效应的技术方案有以下两种，1.直接研磨，随着镜面上最低带的外移逐步缩小研磨盘的尺寸，经过多次反复加工外边缘的误差逐步缩小，这种加工方式会在处理边缘上耗费大量的时间，且由于使用的磨盘逐步变小容易磨出更多的高低起伏的碎带，如图4所示，严重影响抛光阶段边缘面形误差的收敛速度；2.加大回转非球面圆柱直径尺寸，研磨阶段处理镜面0.707外边缘翘边所产生的碎带位置出现在离轴非球面子镜位置之外，这种加工方式实际上是加工了一个口径比实际要求口径大的非球面，把与研磨抛光过程中边缘问题留在离轴非球面子镜之外的母镜上，显然增加了材料成本，延长了加工周期。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种离轴非球面镜的加工方法，用于加工圆锥常数K<0的凹二次非球面镜离轴镜，不需要依赖高精复杂仪器设备，不需要花费特别精力处理离轴非球面子镜边缘误差，以解决在研磨阶段受边缘效应影响导致工件边缘处理效率低的技术问题。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种离轴非球面镜的加工方法，用于圆锥常数K<0的凹二次非球面镜离轴镜加工，包括下列步骤：
(1) 按照离轴非球面镜子体结构参数设计回转非球面母体的结构，确定一次加工离轴非球面子体的数量；
(2) 在母体毛坯件上开挖用于镶嵌子体结构的通孔；
(3) 上盘步骤，将各个子体毛坯件置于通孔中，使用光学粘结剂将各离轴非球面镜子体与回转非球面母体组合成圆柱型整体工件；
(4) 在整体工件上表面加工出用于加工回转非球面的起始球面；
(5) 研磨步骤，使用轮廓仪的面形误差检测结果指导研磨，修正起始球面与回转非球面之间的面形误差；
(6) 抛光步骤，使用干涉仪或刀口仪的面形误差检测结果指导抛光，从抛光好的子母同体非球面中取出离轴非球面子体；
其中：所述起始球面的口径D与整体工件的圆柱直径相等，起始球面的曲率半径R等于回转非球面母线方程中的顶点与该回转非球面母线上1.414D口径处的第一点、第二点这三点所构成三角形的外接圆的半径。
上述技术方案中，回转非球面母线上1.414D口径处分别具有位于回转轴两侧的两个点，即所述的第一点和第二点。
上述技术方案中，所述研磨步骤中，研磨所使用的研磨盘为曲率半径等于回转非球面母体最接近球曲率半径的凸球面，研磨盘材料为玻璃；研磨方法为：以圆柱型整体工件侧的壁圆柱为基准调整使其圆柱轴心线与转台转轴同轴，然后将工件固定在在转台上，研磨时在工件待加工面均匀涂布研磨磨料，研磨盘在工件表面的运动方式为在待加工面口径直径方向上的往复运动。
进一步的技术方案，所述研磨盘的凸面上刻有若干条凹槽。
研磨时，研磨盘移动到工件边缘而不露边。
上述技术方案中，所述研磨步骤中，研磨所使用磨料的选择方法是，先判断母线面形误差的PV值，当PV≥300微米时使用粒度W40的磨料研磨，当30微米≤PV＜300微米使用粒度W28的磨料研磨，当5微米≤PV＜30微米使用粒度W14的磨料研磨，当PV＜5微米使用粒度W10的磨料研磨。
所述研磨步骤中，研磨阶段母线面形误差PV≥10微米时使用轮廓仪测量回转非球面母镜的母线，用母线上的误差分布曲线指导，采用回转方式研磨修正整个回转非球面上的对称性误差；当PV＜10微米时，用轮廓仪分别测量各个离轴子镜的三维面误差分布，用三维面误差分布指导，采用定点方式研磨修正各个离轴子镜局部非对称误差。
上述技术方案中，所述抛光步骤中，先采用回转抛光方式去除回转非球面上表面微裂纹破坏层；待各个离轴非球面子镜表面微裂完全被去除后，采用定点抛光方式修正各个离轴子镜面形误差。
所述抛光步骤中，当面形误差PV<0.5微米时，将离轴非球面子体从子母同体非球面中取出，将离轴非球面子体抛光至图纸设计值。
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：
传统加工工艺中，先加工最接近球面，然后通过研磨加工非球面，在将最接近球面改为非球面的过程中，由于边缘效应影响使工件边缘去除量难以控制，严重阻碍面形误差收敛，在一定程度上影响了非球面加工的效率，增加了加工难度；本发明克服了上述技术问题，实现了不依赖高精复杂仪器设备，不需要花费特别精力处理0.707带外边缘误差，只需加工出本发明所述的起始球，按照传统的工艺即可迅速完成后期光学加工的技术效果，特别适用旋转对称凹二次非球面离轴镜光学元件的加工。
本发明克服了传统加工工艺中以最小材料去除量为目标设计加工起始球面的技术偏见，通过刻意增加材料去除量的方式设计出的起始球面材料去除量在整个工件上呈现从边缘到中心逐渐增大的分布；用较大尺寸研磨盘配合高工件转速可以轻而易举的将其去除，克服了传统加工修正W形误差带受边缘效应易产生碎带影响误差收敛慢的技术问题。
附图说明
附图1为现有技术中由最接近球面获得非球面示意图；
附图2为现有技术中研磨盘不出边时翘边带变窄示意图；
附图3为现有技术中研磨盘出边时塌边示意图；
附图4为现有技术中由最接近球开始研磨修正0.707外翘边带产生的碎带示意图；
附图5为本发明实施例中由起始球面获得非球面示意图；
附图6为本发明实施例中研磨盘、离轴非球面子体、回转非球面母体的结构示意图；
附图7为实施例与对比例中材料去除量分布示意图。
其中：1、非球面母线；2、最接近球面；3、非球面；4、圆柱直径；5、起始球面；6、1.414D口径；7、顶点；8、第一点；9、第二点；12、研磨盘；13、回转非球面母体；14、通孔；15、凹槽；16、实施例的材料去除分布曲线；17、对比例的材料去除分布曲线；18、离轴非球面镜子体。
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：参见附图6所示，外形如图中离轴非球面镜子体18所示的离轴非球面，其结构参数：曲率半径R=407.6mm，圆锥常数K=-0.48，离轴镜圆弧侧壁面直径120mm，离轴镜平行侧壁面距离86mm，离轴量30mm。依据离轴镜子体结构设计回转母体结构直径230mm，在回转非球面母体13的毛坯件上开挖用于镶嵌子体结构的通孔14；将离轴非球面镜子体18的毛坯件置于通孔14中，使用光学粘结剂将离轴非球面镜子体与回转非球面母体组合成圆柱型整体工件；在整体工件上表面加工出用于加工回转非球面的起始球面5。
参见附图5所示，起始球面5的曲率半径可由非球面顶点7与非球面上1.414D口径6即325.22mm口径处两点（第一点8、第二点9）所构成外接圆求得，计算得到起始球半径为415.558mm。
加工一个口径为230mm，曲率半径415.6mm的凹球面作为起始球面5；加工三个凸球面研磨盘12，曲率半径411.5mm，口径分别为60mm、40mm、25mm，研磨盘上刻有宽2mm，深2mm的圆形凹槽15，如图6所示。
先选用粒度为W28的金刚砂对起始球面进行研磨，工件转速50转/分钟，研磨盘运动方式为过镜面中心径向方向的往复运动，轮廓仪测量母线，用母线上误差分布指导加工；误差曲线PV<30微米时，换用粒度W14的金刚砂研磨，工件转速20转/分钟，研磨盘运动方式为过镜面中心径向方向的往复运动，轮廓仪测量母线，用母线上误差分布指导加工；误差曲线PV<5微米时，换用粒度W10的金刚砂定点研磨，工件转速为零，用轮廓仪测量非球面子母同体结构中的子体部分获得整个子体的面误差分布数据指导修正非对称性局部误差；PV<3微米时，粒度W10的金刚砂研磨，工件转速为12转/分，使材料表面各处深度均匀去除10微米，通过这一工序可以最大限度保证整个镜面各处材料破坏层分布均匀一致；最终研磨获得面形误差PV<3微米的非球面。转入抛光阶段后，选用氧化铈抛光粉，聚氨酯抛光模，转速50转/分，对整个回转非球面子母同体结构面去除10微米；之后 转速为零，直接针对离轴非球面子体部分局部修抛，待PV<0.5微米时，将离轴镜从非球面母镜中取出，将离轴非球面修至图纸设计要求值。
经检测，本实施例采用起始球面加工非球面的材料去除分布曲线如图7中16所示，其分布曲线呈现高斯型曲线分布，去除量PV为165.2微米。
对比例：参见附图1所示，图中，1为非球面在OXZ坐标系中的母线；2为在OXZ坐标系中由非球面获得的最接近球面；3为经过研磨抛光最终获得的非球面；4为非球面口径D。
离轴非球面镜结构参数与实施例相同，依据离轴非球面镜子体结构设计回转母体结构直径230mm；其回转母体结构最接近球面的曲率半径可由非球面顶点与非球面上230mm口径处两点所构成外接圆求得，计算得到其最接近球半径411.535mm。
采用现有技术先加工最接近球面，再进行研磨制备离轴非球面。
对比例中的材料去除分布曲线如图7中17所示，其分布曲线呈现W形，去除量PV为40微米。
从附图7的对比可以看出，本发明的实施例解决了现有技术中存在的问题，获得了显著的技术效果。

Claims (8)

1.一种离轴非球面镜的加工方法，用于圆锥常数K<0的凹二次非球面镜离轴镜加工，包括下列步骤：
(1) 按照离轴非球面镜子体(18)结构参数设计回转非球面母体(13)的结构，确定一次加工离轴非球面镜子体的数量；
(2) 在母体毛坯件上开挖用于镶嵌子体结构的通孔(14)；
(3) 上盘步骤，将各个子体毛坯件置于通孔(14)中，使用光学粘结剂将各离轴非球面镜子体(18)与回转非球面母体(13)组合成圆柱型整体工件；
(4) 在整体工件上表面加工出用于加工回转非球面的起始球面(5)；
(5) 研磨步骤，使用轮廓仪的面形误差检测结果指导研磨，修正起始球面(5)与回转非球面(3)之间的面形误差；
(6) 抛光步骤，使用干涉仪或刀口仪的面形误差检测结果指导抛光，从抛光好的子母同体非球面中取出离轴非球面镜子体(18)；
其特征在于：所述起始球面(5)的口径D与整体工件的圆柱直径(4)相等，起始球面(5)的曲率半径R等于回转非球面母线方程中的顶点(7)与该回转非球面母线(1)上1.414D口径(6)处的第一点(8)、第二点(9)这三点所构成三角形的外接圆的半径。
2.根据权利要求1所述的离轴非球面镜的加工方法，其特征在于：所述研磨步骤中，研磨所使用的研磨盘(12)为曲率半径等于回转非球面母体最接近球面(2)曲率半径的凸球面，研磨盘材料为玻璃；研磨方法为：以圆柱型整体工件侧的壁圆柱为基准调整使其圆柱轴心线与转台转轴同轴，然后将工件固定在在转台上，研磨时在工件待加工面均匀涂布研磨磨料，研磨盘在工件表面的运动方式为在待加工面口径直径方向上的往复运动。
3.根据权利要求2所述的离轴非球面镜的加工方法，其特征在于：所述研磨盘(12)的凸面上刻有若干条凹槽(15)。
4.根据权利要求2或3所述的离轴非球面镜的加工方法，其特征在于：研磨时，研磨盘移动到工件边缘而不露边。
5.根据权利要求1至3之一所述的离轴非球面镜的加工方法，其特征在于：所述研磨步骤中，研磨所使用磨料的选择方法是，先判断母线面形误差的PV值，当PV≥300微米时使用粒度W40的磨料研磨，当30微米≤PV＜300微米使用粒度W28的磨料研磨，当5微米≤PV＜30微米使用粒度W14的磨料研磨，当PV＜5微米使用粒度W10的磨料研磨。
6.根据权利要求1所述的离轴非球面镜的加工方法，其特征在于：所述研磨步骤中，研磨阶段母线面形误差PV≥10微米时使用轮廓仪测量回转非球面母镜的母线，用母线上的误差分布曲线指导，采用回转方式研磨修正整个回转非球面上的对称性误差；当PV＜10微米时，用轮廓仪分别测量各个离轴子镜的三维面误差分布，用三维面误差分布指导，采用定点方式研磨修正各个离轴子镜局部非对称误差。
7.根据权利要求1所述的离轴非球面镜的加工方法，其特征在于：所述抛光步骤中，先采用回转抛光方式去除回转非球面上表面微裂纹破坏层；待各个离轴非球面子镜表面微裂完全被去除后，采用定点抛光方式修正各个离轴子镜面形误差。
8.根据权利要求1所述的离轴非球面镜的加工方法，其特征在于：所述抛光步骤中，当面形误差PV<0.5微米时，将离轴非球面镜子体从子母同体非球面中取出，将离轴非球面镜子体抛光至图纸设计值。
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