CN107984303B - 等厚离轴非球面反射镜的加工方法 - Google Patents

Abstract

一种高精度等厚离轴非球面反射镜的高效加工方法，本发明通过同轴母镜工装的设计，实现了子镜精确定位及等厚加工，能多块等厚离轴非球面反射镜同时加工，具有加工成本低、加工精度高和加工效率高的特点。

Description

等厚离轴非球面反射镜的加工方法

技术领域

本发明涉及光学加工领域，具体涉及一种等厚离轴非球面反射镜的加工方法。

背景技术

现代科学技术的飞速发展，使得基于离轴非球面光学系统在对空观测、对地观测、极紫外光刻等前沿领域得到了广泛应用。相比同轴反射式光学系统，离轴反射式光学系统不存在中央遮拦问题，具有更大的有效通光口径，并且可以避免由此而产生的衍射现象，提高成像质量，有效满足现代光学成像系统对于大视场、长焦距和接近于衍射极限像质的迫切需求。因此，离轴反射式光学系统已经逐渐成为未来发展主流，在现代各类光学系统中呈现出日益增长的应用需求。

离轴非球面镜的传统加工主要有两种方式：同轴母镜加工和单件加工。同轴母镜加工是指采取传统方法加工一块大的轴对称非球面母镜，其口径至少应能包含所需离轴非球面，待同轴母镜加工完毕后，从该母镜中套出所需离轴非球面。该方法适用于小口径小离轴量的离轴非球面的加工，当口径或离轴量较大时，加工成本将急剧增加，同时，该方法无法保证等厚离轴非球面反射镜的加工，如图1所示。单件加工是将毛坯尺寸做到离轴非球面所需口径，然后直接对其进行加工。单件加工的传统抛光方法，主要包括手工修抛法和弯曲应力抛光法等手工修抛法是工人手工把持粘贴沥青的小工具进行加工，根据测量的面形误差分布以及个人经验来选择抛光工具形状、控制抛光时间以及抛光压力。手工修抛法效率极低，非常依赖于人的经验，收敛过程需要反复迭代，且中高频误差比较严重，不能满足大口径离轴非球面的加工需求。弯曲应力抛光法是先将离轴非球面加工成一个球面，然后根据材料力学公式计算出加在镜面边缘的力和力矩，使之产生变形，其变形量正好和离轴非球面与起始球面之差相等，但符号相反然后在应力状态下将其抛光成球面，抛光完成后解除镜体弯曲应力，镜体弹性恢复后得到离轴非球面面形。弯曲应力抛光法容易保持离轴非球面的焦距和离轴量，但是需要大量加力用的机械零件，适用于大批量离轴非球面的粗加工，加工精度不高。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种等厚离轴非球面反射镜的加工方法，该方法通过同轴母镜工装的设计，实现了子镜精确定位及等厚加工，能多块等厚离轴非球面反射镜同时加工，具有加工成本低、高精度和加工效率高的特点。

为实现上述技术目的，本发明的技术解决方案如下：

一种等厚离轴非球面反射镜的加工方法，其特点在于，包括以下步骤：

1)同轴母镜工装和子镜坯料加工：根据待加工离轴非球面反射镜(以下称为子镜)的加工参数，即口径、离轴角、离轴量，对同轴母镜工装进行设计，采用数控加工中心完成同轴母镜工装外形及相应的定位沉孔加工，并在各个定位沉孔的底面划线，并延伸至孔的边沿，其延长线过母镜的中心，用于标记离轴方向；子镜坯料经外形加工后，采用金刚石刀具在其背面划线，划线的一侧延伸至镜片边沿；

2)子镜上盘：将子镜坯料置于定位沉孔中，边沿刻线对齐，同时用塞片固定，然后置于电炉上高温烘烤，将液态的腊滴入缝隙中，待腊充分填满缝隙后，关闭电炉，常温下自然冷却后，子镜坯料就成功镶入同轴母镜中形成工件；

3)工件铣磨：采用高精度数控光学铣磨加工中心，使用半球形碟形砂轮铣磨工件，采用轮廓仪进行轮廓检验，判断轮廓误差是否达到要求，若达到要求则进入下一步，否则继续铣磨加工；

4)工件研抛：采用传统单轴机对工件进行研磨及粗抛加工，技术要点在于严格控制起始球面半径的准确度以及同一环带上半径的一致性，采用轮廓仪进行检测，判断轮廓误差是否达到要求，若达到要求则进入下一步，否则继续研抛加工；

5)待加工件的面形精度收敛到进入干涉仪量程后(一般为小于2μm)，采用激光干涉仪对所述的工件的反射镜面形进行测量，得到工件加工所需要的全口径面形误差；

6)工件精抛：采用高精度数控抛光机床对工件进行精密抛光，判断面形误差是否达到加工要求，若达到加工要求，则结束加工，否则继续抛光加工；

7)将加工完成后的母镜置于电炉上加热，待温度升高到蜡融化后，用吸盘将所述的子镜吸出，获得离轴非球面反射镜。

所述的同轴母镜工装保证了离轴非球面反射镜的等厚加工，该同轴母镜工装的设计方法如下：

a)材料：根据子镜加工工件的材料，母镜需选择相同材料，才能保证在拼接后，埋入的子镜与母镜具有相同的研抛效率，避免出现局部加工不均匀的情况；

b)尺寸：母镜的口径＝2×(子镜口径/2+离轴量+留边量)，单位为mm；留边量是加工时，需保证母镜边缘留出一定加工余量，以防止数控加工时产生的边缘效应导致面形难以收敛的问题，一般不小于10mm；母镜的厚度需在满足一定径厚比(一般不大于5)的同时，还应保证子镜能完全埋入，且定位沉孔的最低点距母镜底面的厚度不小于10mm；

c)定位沉孔：定位沉孔的口径需比子镜口径大1.1mm到1.2mm，以便于塞片插入及蜡的流入；定位沉孔中心与母镜中心的距离＝离轴量—子镜的中心厚度×sin(离轴角)，长度单位为mm，角度单位为度；定位沉孔的深度至少应保证子镜能完全埋入；离轴角决定了定位沉孔底面与母镜底面的夹角，该角度决定了最终加工的离轴非球面镜是否为等厚，因此需要精确控制。

本发明专利的优点在于：

本发明解决了离轴非球面反射镜传统同轴母镜加工后，单块子镜不等厚的问题；

本发明通过同轴母镜工装的设计，实现了子镜精确定位及等厚加工，能多块等厚离轴非球面反射镜同时加工，具有加工成本低、精度高和效率高的特点。

附图说明

图1是传统同轴母镜加工的示意图，其中左图为正视图，右图为剖视图。

图2是本发明等厚离轴非球面镜加工的加工流程图。

图3是同轴同轴母镜工装的加工示意图，其中(a)为加工图，(b)为a中A-A剖视图。

图4是子镜上盘的示意图。

图5是同轴母镜铣磨后的母线轮廓误差图。

图6是各子镜粗抛后的母线轮廓误差图。

图7是全口径同轴母镜的面形误差图。

图8是各单块离轴非球面镜面形加工结果图。

具体实施方式

下面参考附图并结合实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施说明：

离轴抛物面反射镜

参见图2，本发明高精度等厚离轴非球面反射镜的高效加工方法，包括以下步骤：

1)将口径Φ180mm，厚度为40mm的微晶玻璃作为母镜坯料，采用数控加工中心完成外形及相应的定位孔加工，并在各个定位孔的底面划线，并延伸至孔的边沿，其延长线过母镜的中心，用于标记离轴方向，同轴母镜工装加工图如图3所示，子镜坯料经外形加工后，口径为Φ65mm，厚度为11mm，采用金刚石刀具在其背面划线，其中一侧延伸至镜片边沿；

2)将子镜坯料放置于定位孔中，如图4，边沿刻线对齐，同时用塞片固定，然后置于电炉上高温烘烤，将液态的腊滴入缝隙中，待腊充分填满缝隙后，关闭电炉，常温下自然冷却后，子镜坯料就成功镶入母镜中了；

3)采用德国OptoTech公司生产的MCG 250CNC-Compact光学铣磨加工中心，使用半球形碟形砂轮铣磨工件对同轴母镜进行铣磨，采用TAYLOR HOBSON轮廓仪进行轮廓检测，同轴母镜铣磨后的母线轮廓误差图如图5所示；

4)研磨及粗抛采用传统单轴机对子镜进行加工，技术要点在于严格控制起始球面半径的准确度以及同一环带上半径的一致性，完成后采用TAYLOR HOBSON轮廓仪进行检测，各子镜粗抛后的母线轮廓误差如图6所示；

5)待加工元件面形精度收敛到进入干涉仪量程后(一般为小于2μm)，采用激光干涉仪对待加工反射镜面形进行测量，得到其全口径面形误差；

6)采用数控磁流变机床完成工件的精密抛光，抛光二次后，全口径同轴母镜的面形误差如图7所示；

7)将加工完成后的母镜置于电炉上加热，待温度升高到蜡融化后，用吸盘将离轴非球面镜吸出。

最终，各单块离轴镜面形加工结果为(λ＝632.8nm)，如图8所示：

实验表明，本发明解决了离轴非球面反射镜传统同轴母镜加工后，单块子镜不等厚的问题；与单块加工方法相比，能多块等厚离轴非球面反射镜同时加工，从而提高了加工效率和降低了加工成本。

本发明通过同轴母镜工装的设计，实现了子镜精确定位及等厚加工；能多块等厚离轴非球面反射镜同时加工，具有加工成本低、精度高和效率高的特点。

Claims (2)

1.一种等厚离轴非球面反射镜的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)同轴母镜工装和子镜加工：根据待加工离轴非球面反射镜的加工参数，即口径、离轴角、离轴量，对同轴母镜工装进行设计，以下将离轴非球面反射镜称为子镜，采用数控加工中心完成同轴母镜工装外形及相应的定位沉孔加工，并在各个定位沉孔的底面划线，并延伸至孔的边沿，其延长线过母镜的中心，用于标记离子镜坯料轴方向；经外形加工后，采用金刚石刀具在其背面划线，划线的一侧延伸至镜片边沿；

2)子镜上盘：将子镜坯料置于定位沉孔中，边沿刻线对齐，同时用塞片固定，然后置于电炉上高温烘烤，将液态的蜡滴入缝隙中，待蜡充分填满缝隙后，关闭电炉，常温下自然冷却后，子镜坯料就成功镶入母镜中形成工件；

3)工件铣磨：采用高精度数控光学铣磨加工中心，使用半球形碟形砂轮铣磨工件，采用轮廓仪进行轮廓检验，判断轮廓误差是否达到要求，若达到要求则进入下一步，否则继续铣磨加工；

4)工件研抛：采用传统单轴机对工件进行研磨及粗抛加工，严格控制起始球面半径的准确度以及同一环带上半径的一致性，采用轮廓仪进行检测，判断轮廓误差是否达到要求，若达到要求则进入下一步，否则继续研抛加工；

5)待加工件的面形精度收敛到进入干涉仪量程后，上述面形精度为小于2μm，采用激光干涉仪对所述的工件的反射镜面形进行测量，得到工件所需要的全口径面形误差；

6)工件精抛：采用高精度数控抛光机床对工件进行精密抛光，判断面形误差是否达到加工要求，若达到要求则结束加工，否则继续抛光加工；

7)将加工完成后的母镜置于电炉上加热，待温度升高到蜡融化后，用吸盘将所述的子镜吸出，获得离轴非球面反射镜。

2.根据权利要求1所述的等厚离轴非球面反射镜加工方法，其特征在于，所述的同轴母镜工装保证了离轴非球面反射镜的等厚加工，该同轴母镜工装的设计方法如下：

a)材料：根据子镜加工工件的材料，母镜需选择相同材料，才能保证在拼接后，埋入的子镜与母镜具有相同的研抛效率，避免出现局部加工不均匀的情况；

b)尺寸：母镜的口径＝2×(子镜口径/2+离轴量+留边量)，单位为mm；留边量是加工时，需保证母镜边缘留出一定加工余量，以防止数控加工时产生的边缘效应导致面形难以收敛的问题，加工余量不小于10mm；母镜的厚度需在满足一定径厚比的同时，径厚比为不大于5，还应保证子镜能完全埋入，且定位沉孔的最低点距母镜底面的厚度不小于10mm；

c)定位沉孔：定位沉孔的口径需比子镜口径大1.1mm到1.2mm，以便于塞片插入及蜡的流入；定位沉孔中心与母镜中心的距离＝离轴量—子镜的中心厚度×sin(离轴角)，长度单位为mm，角度单位为度；定位沉孔的深度至少应保证子镜能完全埋入；离轴角决定了定位沉孔底面与母镜底面的夹角，该角度决定了最终加工的离轴非球面镜是否为等厚，因此需要精确控制。