CN115519435A - 一种大非球面度与高陡度非球面透镜的加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大非球面度与高陡度非球面透镜的加工方法，方法包括下列步骤：步骤一、非球面与球面铣磨成型：先铣磨毛坯元件的非球面部分，合格后，采用同样参数铣磨球面至球面R；步骤二、球面磨砂抛光处理；步骤二、非球面磨砂与抛光处理，并进行精修，直至表面质量达到要求即加工完成；本发明克服现有传统加工上疵病多，加工精度低，加工时间长，加工过程不确定等问题，从而实现大非球面度高陡度非球面高效率高精度的加工。
Description
技术领域
本发明涉及光学元件加工领域，具体是一种大非球面度与高陡度非球面透镜的加工方法。
背景技术
在现代光学加工中，大非球面度与高陡度非球面透镜被广泛应用于各类超精密光学元件之中。其大非球面度与高陡度的特点使得加工从铣磨到抛光都更加困难，由于表面曲率半径变化剧烈，传统磨头无法很好贴合工件表面，使得加工误差增大，严重影响加工效率和加工精度；同时大非球面度与高陡度的特点使得加工过程易产生大量表面疵病，影响表面质量。目前对于此加工难点若依靠传统工艺势必大大增加加工时间；若设计使用新型加工工具又会大大增加加工设备的成本。因此若能不受限于加工设备的固有缺陷而发明低成本工具为基础的新型制造工艺，会对精密光学制造的低成本化和高精度化有重要的推动作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大非球面度与高陡度非球面透镜的加工方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种大非球面度与高陡度非球面透镜的加工方法，所述方法包括下列步骤：
步骤一、非球面与球面铣磨成型：先铣磨毛坯元件的非球面部分，合格后，采用同样参数铣磨球面至球面R；
步骤二、球面磨砂抛光处理；
步骤二、非球面磨砂与抛光处理，并进行精修，直至表面质量达到要求即加工完成。
作为本发明的一种优选技术方案，上述步骤一中非球面与球面铣磨成型，具体步骤如下：
铣磨机床铣磨该毛坯元件的非球面部分，分两次铣磨，第一次将工件加工至准球形；
第二次将非球面系数输入机床进行非球面铣磨，其中设置刀具转速为4000rpm，进给量0.1mm/min，将面形误差收敛至4.0-6.0μm，加工完成后采用触针式轮廓仪检验误差，若不合格将补偿面形继续铣磨；达到要求后，再采用该机床用相同的参数铣磨球面至球面R，保证中心厚H在公差范围内。
作为本发明的一种优选技术方案，上述步骤二球面磨砂抛光处理，具体是采用单轴机将球面磨砂与抛亮，面形直接收敛至λ/3，并检验其表面疵病；直至合格后涂上一层保护胶，并放置于套筒工装中，防止在加工非球面时划伤球面。
作为本发明的一种优选技术方案，上述步骤三非球面磨砂，R0相等，采用302#与303# 金刚砂分别先后进行磨修；加工期间采用接触式三坐标进行整个面测量反馈迭代，具体是采用单轴机进行磨砂，磨头采用树脂铜盘，并将盘面曲率半径加工至与非球面直至误差修小于2μm。
作为本发明的一种优选技术方案，上述步骤三非球面抛亮，具体是采用CCOS小磨头数控机床将非球面抛亮，采用50mm柔性小工具进行抛亮；随后基于非球面各参数输出抛光程序文件；其中机床运动速率设为1000mm/min，压强为0.15mpa；抛亮完成后进行疵病检验，保证无表面损伤后采用三坐标测量面形，得到面形PV，为下一步提供加工数据。
作为本发明的一种优选技术方案，上述柔性小工具为三层式结构，采用球面铝盘基底，用胶水粘上5mm厚弹性硅胶中间层，再贴上聚氨酯。
作为本发明的一种优选技术方案，上述步骤三中的非球面精修，具体是采用离子束抛光机床进行面形精修，先对面形数据进行平滑滤波处理再输出加工程序，若因低频表面有波纹状使指标未达到要求，则采用CCOS小磨头进行平滑光顺后继续加工；加工完成后检测面形PV、表面粗糙度以及光洁度；直至表面质量达到要求即加工完成。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明克服现有传统加工上疵病多，加工精度低，加工时间长，加工过程不确定等问题，从而实现大非球面度高陡度非球面高效率高精度的加工。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动成果前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面将结合实施例来详细说明本申请。
本实施例中，加工对象是一块光刻机中照明系统中的一片非球面透镜。其口径为直径 215mm(有效口径180mm)，球面半径为568.9mm，非球面半径196.35mm，中心厚为48.2mm, 非球面系数k为1.13，多次项系数分别为A2＝-3.11278e-8，A4＝-2.30797e-12，A6＝1.20191e-16， A8＝-9.65241e-21(经计算非球面度为925.833μm)。
加工具体指标：PV≤λ/5RMS≤λ/30，表面粗糙度≤0.5nm，无亚表面损伤。
非球面的各参数设定如下：
其中曲率半径：R，K＝-e2。其多次项系数分别为A2，A4，A6，A8。
一种大非球面度与高陡度非球面透镜的加工方法，该方法包括下列步骤：
1)球面与非球面铣磨成型：利用OPTO-TECH机床铣磨该毛坯元件的非球面部分，先进行非球面铣磨后，分两次铣磨，第一次铣磨到最接近比较球面的曲率半径178mm，第二次在机床控制界面上输入非球面的曲率半径196.35mm，非球面系数1.13，与多次项系数A2＝-3.11278e-8，A4＝-2.30797e-12，A6＝1.20191e-16，A8＝-9.65241e-21，并设置刀具参数(刀具转速4000rpm，进给量0.1mm/min)，通过铣磨将面形误差收敛至2μm左右，利用TaylorHobson PGI 1240触针式轮廓仪检验误差，若不合格将补偿面形继续铣磨。再利用该机床用相同的参数铣磨球面，至球面半径568.9mm，并保证留有中心厚48.5mm。
2)球面磨砂抛光：使用传统抛光的方式，利用单轴机将球面磨砂与抛亮，面形直接收敛至λ/3，并检验其表面疵病。合格后涂上一层保护胶，防止在加工非球面时划伤球面。
3)非球面磨砂：将工件放置于套筒型工装中并且定好中心(工装为以非球面大小定制而成)，利用单轴机进行磨砂。(1)磨头采用口径50mm树脂铜盘，并将盘面磨成最接近非球面半径178mm，并开井字槽；单轴机机床主轴转速65rpm，采用302#金刚砂磨料将铣磨刀纹磨去，再利用303#金刚砂磨去除302#金刚砂磨修产生的砂眼(将铣磨的刀纹磨去即可)，利用接触式三坐标进行整个面测量，直至误差修形于2μm以内。
4)非球面抛亮：完成磨砂后，仔细清洗工件。利用CCOS小磨头数控机床将非球面抛亮，采用约50mm左右柔性小工具进行抛亮。其中小工具为三层式结构，采用球面铝盘基底，用502#胶水粘上5mm厚弹性硅胶中间层，再贴上聚氨酯。随后基于非球面各参数输出抛光程序文件；其中机床运动速率设为1000mm/min，压强为0.15mpa。抛亮后进行疵病检验，保证在无表面损伤后，利用三坐标测量面形为下一步提供加工数据。
5)非球面精修：使用离子束抛光机床进行面形精修。其中需先对面形数据进行平滑滤波处理再输出加工程序(其中工艺参数为：RF：100W，BEAM：1000V，Acclerator：80V)。若因低频表面有波纹状使指标未达到要求，则利用CCOS小磨头进行平滑光顺后继续加工。完成后用luphoScan非接触式3D表面轮廓测量仪检测面形PV，使用Zygo光学轮廓仪检测表面粗糙度，暗场下使用强光灯检验光洁度，直至所有指标合格。
以上的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种大非球面度与高陡度非球面透镜的加工方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：
步骤一、非球面与球面铣磨成型：先铣磨毛坯元件的非球面部分，合格后，采用同样参数铣磨球面至球面R；
步骤二、球面磨砂抛光处理；
步骤二、非球面磨砂与抛光处理，并进行精修，直至表面质量达到要求即加工完成。
2.根据权利要求1所述的一种大非球面度与高陡度非球面透镜的加工方法，其特征在于，所述步骤一中非球面与球面铣磨成型，具体步骤如下：
铣磨机床铣磨该毛坯元件的非球面部分，分两次铣磨，第一次将工件加工至准球形；
第二次将非球面系数输入机床进行非球面铣磨，其中设置刀具转速为4000rpm，进给量0.1mm/min，将面形误差收敛至4.0-6.0μm，加工完成后采用触针式轮廓仪检验误差，若不合格将补偿面形继续铣磨；达到要求后，再采用该机床用相同的参数铣磨球面至球面R，保证中心厚H在公差范围内。
3.根据权利要求1或者2所述的一种大非球面度与高陡度非球面透镜的加工方法，其特征在于，所述步骤二球面磨砂抛光处理，具体是采用单轴机将球面磨砂与抛亮，面形直接收敛至λ/3，并检验其表面疵病；直至合格后涂上一层保护胶，并放置于套筒工装中，防止在加工非球面时划伤球面。
4.根据权利要求2所述的一种大非球面度与高陡度非球面透镜的加工方法，其特征在于，所述步骤三非球面磨砂，R0相等，采用302#与303#金刚砂分别先后进行磨修；加工期间采用接触式三坐标进行整个面测量反馈迭代，具体是采用单轴机进行磨砂，磨头采用树脂铜盘，并将盘面曲率半径加工至与非球面直至误差修小于2μm。
5.根据权利要求1所述的一种大非球面度与高陡度非球面透镜的加工方法，其特征在于，所述步骤三非球面抛亮，具体是采用CCOS小磨头数控机床将非球面抛亮，采用50mm柔性小工具进行抛亮；随后基于非球面各参数输出抛光程序文件；其中机床运动速率设为1000mm/min，压强为0.15mpa；抛亮完成后进行疵病检验，保证无表面损伤后采用三坐标测量面形，得到面形PV，为下一步提供加工数据。
6.根据权利要求5所述的一种大非球面度与高陡度非球面透镜的加工方法，其特征在于，所述柔性小工具为三层式结构，采用球面铝盘基底，用胶水粘上5mm厚弹性硅胶中间层，再贴上聚氨酯。
7.根据权利要求1所述的一种大非球面度与高陡度非球面透镜的加工方法，其特征在于，所述步骤三中的非球面精修，具体是采用离子束抛光机床进行面形精修，先对面形数据进行平滑滤波处理再输出加工程序，若因低频表面有波纹状使指标未达到要求，则采用CCOS小磨头进行平滑光顺后继续加工；加工完成后检测面形PV、表面粗糙度以及光洁度；直至表面质量达到要求即加工完成。
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