CN1846937A

CN1846937A - 光学玻璃和硅单晶非球面光学元件的加工方法

Info

Publication number: CN1846937A
Application number: CN 200510010744
Authority: CN
Inventors: 张有彩; 罗刚; 段有辉
Original assignee: Yunnan Beifang Optical Electronic Group Co Ltd
Current assignee: Yunnan Beifang Optical Electronic Group Co Ltd
Priority date: 2005-04-13
Filing date: 2005-04-13
Publication date: 2006-10-18
Anticipated expiration: 2025-04-13
Also published as: CN100431790C

Abstract

本发明公开了一种光学元件的加工技术，主要用于光学玻璃和硅单晶非球面光学元件的加工。其主要技术特征是：用计算机数控磨床和数控抛光机床对光学玻璃和硅单晶进行加工，采用新工艺流程，非球面精磨、非球面抛光、非球面修抛、检测面型等。本发明从根本上克服了用传统抛光工艺方法加工光学玻璃和硅单晶非球面光学元件存在效率低、精度难以保证的缺陷。达到了降低生产成本、质量稳定、效率显著提高的预期效果。

Description

光学玻璃和硅单晶非球面光学元件的加工方法

一、技术领域

本发明属于一种光学元件的加工技术，主要用于普通的光学玻璃及硅单晶材料非球面光学元件的制作。

二、背景技术

通过检索，未发现与此相同或相似的技术报道，目前，对光学玻璃及硅单晶材料非球面光学元件的加工，主要采用传统的抛光工艺技术，其主要工艺流程

一般情况下，只对2次非球面光学元件加工，对于高次非球面(10次以上)来说，勉强可以加工，但制作出的元件存在着周期长、成本高、精度难以保证的缺陷。

三、发明内容

本发明的主要技术任务和目的是：根据传统的工艺加工非球面光学元件的不足，寻找一种新的方法，对普通光学玻璃及硅单晶材料非球面光学元件的加工，实现生产效率大幅度的提高，精度质量得到保证，适应光学系统向短、小、精方向发展，以满足市场需求。

本发明的主要技术方案是：用计算机数控磨床和计算机数控抛光机床进行加工。其工艺流程：A、下料、B、非球面粗磨、C、非球面精磨、D、非球面抛光、E、非球面修抛、F、检测面型、G、包装。

所加工出的非球面光学元件，表面质量较好，粗糙度Ra达0.003微米，与传统的加工方法相比，生产效率至少提高十倍以上，元件合格率达百分之百，成本和质量明显改善。

四、附图说明

图1，是本发明的工艺流程图，也是本发明的主要技术方案图。

图2，是本发明的蝶形磨轮图。

图3，是本发明的整体柔性抛光模具图。

图4，是本发明的修正抛光模具图。

图5，是本发明的2次非球面光学元件加工实施例图。

图6，是本发明的10次非球面光学元件加工实施例图。

图7，是本发明的15次非球面光学元件加工实施例图。

五、具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

以光学玻璃中最常用具有代表性的K₃、K₄、K₉、ZF₂、ZF₅、ZF₆、LaK、baK玻璃和硅单晶材料为例，对2次、10次、15次非球面光学元件进行加工，用计算机数控磨床及计算机数控抛光机床，采用合理的工艺方法和检测手段，得到完全符合技术要求的非球面光学元件。

参照图1，本发明按如下工艺流程进行：

A、下料，用内圆切片机对光学玻璃材料进行切割下料。

B、非球面粗磨，(1)、根据给定参数输入方程，通过计算机软件计算出与非球面相适合的曲率半径R_fit，再用范成型法铣磨出半径R_fit，(2)按照参数通过数控磨床编程后，用蝶形粗磨磨轮按轨迹磨出非球面，磨轮转速8000-12000转/分，工件转速40-70转/分，切深0.04毫米，进给量0.1-0.5毫米/分。

C、非球面精磨，(1)用蝶形精磨磨轮进行对工件精磨，磨轮转速8000-12000转/分，工件转速40-70转/分，切深0.02毫米，进给量0.1-0.05毫米/分。(2)用接触式精密轮廓分析仪检测精磨后的非球面面形，通过调整数控机床X轴的移动量以及工件的厚度误差，达到该工序合格的面形误差即：粗糙度平均值Ra＜0.2微米，最大值Rt＜2微米。

D、非球面抛光，用整体柔性抛光模具对非球面工件在数控抛光机床上进行抛光，抛光模转速600转/分，工件转速580转/分。抛光数十分种(时间根据工件尺寸大小而定)后，通过测量，误差Rt＜1微米，合格者转下道工序。若不合格，返回非球面精磨工序进行铣磨补偿，再进行抛光数十分钟，再测量。直至合格为止。

E、非球面修抛，对抛光合格的非球面工件用修正抛光模具进行小磨头补偿抛光修正。抛光模转速600转/分，工件转速580转/分。

F、检测面形，进行最终面形检验，面型精度达到Ra＜0.05微米，Rt＜0.5微米，光洁度达II级。

G、包装。

所需设备：计算机数控磨床、计算机数控抛光机床、接触式精密轮廓分析仪。

参照图2，本发明使用的粗、精磨轮为蝶形磨轮，由金刚石1、青铜机体2、轴孔3组成。

参照图3，本发明使用的整体柔性抛光模具，由黄铜机体4、高密度海棉5、聚胺脂6组成。

参照图4，是本发明使用的修正抛光模具，由无锈钢机体7、卡套8、橡胶套9、小磨头固定轴10、小磨头11组成。

实施例一、加工2次非球面光学元件，如图5所示，A面为非球面，材料：光学玻璃材料或硅单晶材料，Φ＝17毫米，非球面顶点半径R₀＝10.085毫米，δ＝5毫米，2次非球面方程：

Y = C X^{2} / 1 + \sqrt{1 - (1 + K) C^{2} X^{2}},

其中Y表示非球面上任意一点距非球面顶点的垂直距离，即称弧高，X是非球面有效半径Φ/2＝8.5毫米上任意一点数据，K是面型系数，K＝-1.490242，C＝1/R₀＝0.0991571641，

A、下料，按图纸要求，用内圆切片机对光学玻璃或硅单晶材料进行下料。

B、非球面粗磨，(1)、根据给定参数输入方程，通过计算机软件计算出与非球面相适合的曲率半径R_fit，R_fit＝12.55毫米，按范成型法铣磨出半径R_fit，(2)按照参数通过数控磨床编程，用蝶形粗磨磨轮按轨迹磨出非球面，磨轮转速8000转/分，工件转速40转/分，切深0.04毫米，进给量0.1毫米/分。

C、非球面精磨，(1）用蝶形精磨磨轮对工件进行精磨，磨轮转速8000转/分，工件转速40转/分，切深0.02毫米，进给量0.1毫米/分。(2)用轮廓分析仪检测精磨后非球面面形，该工序误差应该达到Ra＜0.2微米，Rt＜2微米。若达不到，通过调整数控机床X轴的移动量以及工件的厚度误差来达到。

D、非球面抛光，用整体柔性抛光模具对工件在数控抛光机上进行抛光，抛光模转速600转/分，工件转速580转/分，抛光15分种后，通过测量合格的(误差应该达到Rt＜1微米)转下道工序。若不合格，返回非球面精磨工序进行铣磨补偿，再抛光15分钟，再测量。直至合格为止。

E、非球面修抛，对抛光合格的工件用修正抛光模具进行小磨头补偿抛光修正，抛光模转速600转/分，工件转速580转/分。

G、包装。

加工过程中所需设备同上。

实施例二：加工10次非球面光学元件，如图6所示，A为非球面，材料：光学玻璃或硅单晶，Φ＝60毫米，R＝92.04毫米，δ₁＝12.33毫米，δ₂＝10.76毫米，非球面有效半径Φ/2＝30毫米，非球面顶点半径R₀＝215.985毫米。非球面方程：

Y = C X^{2} / 1 + \sqrt{1 - (1 + K) C^{2} X^{2}} + a_{2} X^{2} + a_{3} X^{3} + a_{4} X^{4} + . . . . . . a_{10} X^{10},

其中C＝1/R₀＝0.00463，K＝46.308，a₂、a₃、a₅、a₇、a₉均为零，a₄＝-1.027972E-6、a₆＝4.53049E-10、a₈＝8.80954E-13，a₁₀＝-1.022878E-15，X是有效半径Φ/2＝30毫米上任意一点的数据。

B、非球面粗磨，(1)、根据给定参数输入方程，通过计算机软件计算出与非球面相适合的曲率半径R_fit，R_fit＝143.22毫米，按范成型法铣磨出半径R_fit，(2)按照参数通过数控磨床编程，用蝶形粗磨磨轮按轨迹磨出非球面。磨轮转速10000转/分，工件转速60转/分，切深0.04毫米，进给量0.2毫米/分。

C、非球面精磨，(1)用蝶形精磨磨轮对工件进行精磨，磨轮转速10000转/分，工件转速60转/分，切深0.02毫米，进给量0.02毫米/分。(2)用轮廓分析仪检测精磨后的非球面面形，误差应该达到Ra＜0.2微米，Rt＜2微米，若达不到，通过调整数控机床X轴的移动量以及工件的厚度误差来达到。

D、非球面抛光，用整体柔性抛光模具对工件在数控抛光机上进行抛光，抛光模转速600转/分，工件转速580转/分，抛光60分种后，通过测量合格者(误差应该达到Rt＜1微米)转下道工序。若不合格，返回非球面精磨工序进行铣磨补偿，再进行抛光60分钟，再测量。直至合格为止。

E、非球面修抛，对抛光合格的非球面工件用修正抛光模具进行小磨头补偿抛光修正，抛光模转速600转/分，工件转速580转/分。

G、包装。

加工过程中所需设备同上。

实施例三，加工15次非球面光学元件，如图7所示，A为非球面，材料：光学玻璃或硅单晶材料，Φ＝82毫米，δ₁＝4.37毫米，δ₂＝3.98毫米，R＝64.86毫米，R₀＝30.70475毫米，15次非球面方程：

Y = C X^{2} / 1 + \sqrt{[1 - (1 + K) C^{2} X^{2}} + a_{2} X^{2} + a_{3} X^{3} + a_{4} X^{4} + . . . . . . a_{15} X^{15},

a₂、a₃、a₄、a₅、a₇、a₉、a₁₁、a₁₂、a₁₃、a₁₄、均为零，a₆＝-1.35762E-8、a₈＝1.144274E-11，a₁₀＝4.921716E-14，a₁₅＝-3.30473E-18，X是有效半径Φ/2＝41毫米上任意一点的数据，C＝1/R₀＝0.03256825，K＝0.4811033。

A、下料，按照图纸要求，用内圆切片机对光学玻璃或硅单晶进行下料。

B、非球面粗磨，(1)、根据给定参数输入方程，通过计算机软件计算出与非球面相适合的曲率半径R_fit，R_fit＝30.924毫米，按范成型法铣磨出半径R_fit，(2)按照参数通过数控磨床编程，用蝶形粗磨磨轮按轨迹磨出非球面，磨轮转速12000转/分，工件转速70转/分，切深0.04毫米，进给量0.5毫米/分。

C、非球面精磨，(1)用蝶形精磨磨轮对工件进行精磨，磨轮转速12000转/分，工件转速70转/分，切深0.02毫米，进给量0.05毫米/分。(2)用轮廓分析仪检测精磨后的非球面面形，误差应该达到Ra＜0.2微米，Rt＜2微米，若达不到，通过调整数控机床X轴的移动量以及工件的厚度误差来达到。

D、非球面抛光，用整体柔性抛光模具对工件在数控抛光机上进行抛光，抛光模转速600转/分，工件转速580转/分，抛光60分种后，通过检测合格的(误差应该达到Rt＜1微米)转下道工序。若不合格，返回非球面精磨工序进行铣磨补偿，再进行抛光数60分钟，再测量。直至合格为止。

G、包装。

加工过程中所需设备同上。

以上仅列举2次、10次、15次光学玻璃和硅单晶非球面光学元件的加工实例，均已实现批量生产，合格率在百分之百，完全达到本发明的目的。

Claims

1、一种光学玻璃和硅单晶非球面光学元件的加工方法，含有工序A下料、B非球面粗磨，G包装，其特征在于：用计算机数控磨床和数控抛光机床对光学玻璃和硅单晶进行加工，采用工艺流程：

C、非球面精磨，用蝶形精磨磨轮对工件进行精磨，磨轮转速8000-12000转/分，工件转速40-70转/分，切深0.02毫米，进给量0.1-0.05毫米/分。

D、非球面抛光，用整体柔性抛光模具对非球面工件在数控抛光机床上进行抛光，抛光模转速600转/分，工件转速580转/分，抛光后通过检测，合格的转下道工序，不合格的，返回非球面精磨工序进行铣磨补偿，再进行抛光，再检测，直至合格。

E、非球面修抛，对抛光合格的非球面工件，用修正抛光模具进行小磨头补偿抛光修正，抛光模转速600转/分，工件转速580转/分。

F、检测面形，用精密轮廓分析仪对工件进行最终检测。

2、根据权利要求1所述的光学玻璃和硅单晶非球面光学元件的加工方法，其特征在于：所采用的蝶形磨轮，由金刚石(1)、青铜机体(2)、轴孔(3)组成。

3、根据权利要求1所述的光学玻璃和硅单晶非球面光学元件的加工方法，其特征在于：所采用的整体柔性抛光模具，由黄铜机体(4)、高密度海棉(5)、聚胺脂(6)组成。

4、根据权利要求1所述的光学玻璃和硅单晶非球面光学元件的加工方法，其特征在于：所采用的修正抛光模具，由无锈钢机体(7)、卡套(8)、橡胶套(9)、小磨头固定轴(10)、小磨头(11)组成。