CN207571332U - 一种消边缘效应的非球面镜体 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种消边缘效应的非球面镜体，非球面镜体由大于非球面口径的圆柱形镜胚制成，非球面结构位于圆柱形镜胚的第一端面上，非球面结构上还设置有第一圆槽，其中第一圆槽回转轴线与非球面回转轴线重合，且第一圆槽内径大于非球面口径；使用该镜体加工非球面时，将边缘效应产生的范围内控制在非球面上第一圆槽之外的环形区域，然后将非球面口径之外的环形区域切除，剩下部分即为没有边缘效应的反射镜，该技术方案有效的解决了边缘效应问题与应力变形问题，且不易在非球面边缘产生崩边和崩口。

Description

一种消边缘效应的非球面镜体

技术领域

本实用新型属于光学加工领域，具体涉及一种非球面镜体。

背景技术

随着计算机数控单点金刚石技术、超精密磨削技术、计算机控制光学表面成形技术等非球面加工技术的进一步发展，目前非球面光学元件的制造技术己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。然而无论是传统的古典抛光技术还是计算机控制小磨头抛光技术都尚无快速有效的方法解决非球面反射镜边缘效应问题。边缘效应的产生是由于去除函数在抛光中心去除率最大，而在边缘去除率最小，因此会造成翘边的边缘效应。而在边缘，磨头会有一部分面积与反射镜脱离接触，造成在边缘的压强与磨头和反射镜整个接触时的压强并不相同，也会造成理论计算和实际加工结果并不相同的边缘效应。

正是由于边缘效应的存在，严重阻碍面形误差收敛速度，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一下三种，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，严重影响抛光阶段边缘面形误差的收敛速度；2.拼接，专利号为2016109502587的实用新型专利提供一种拼接方案，加工一个内径与待加工非球面口径相同的环形护环，通过粘结工艺将护环与待加工工件粘结为一个整体，研磨抛光时护环承受了边缘效应的影响，加工结束后将护环拿下，这种加工方式会增加加工工艺的难度，且粘结后容易在工件上产生不均匀的应力分布，待加工过程结束卸下护环后由于粘结产生的应力释放，已经加工好的镜面表面产生非常大的局部误差，对加工好的镜面重新修正局部误差势必延长了加工周期。3.球改非，专利201610083727X提供了一种消除边缘效应的方法，通过设计起始球面半径，将传统的W形误差曲线设计为中间高边缘最低，然而这种方式增加了材料去除量，并且及时设计的球面误差曲线边缘最低，在实际抛光过程中，误差曲线边缘最低部分依然需要被抛亮，因此如果处理不当还是会受边缘效应影响，依然有可能给边缘部分处理带来麻烦。4.切边去除，使用金刚石砂轮将边缘多余的材料磨削掉，需要掌握大量的实验数据，如果没有丰富的经验，将很难对切除边缘进行控制，容易造成反射镜外边面损伤，此外在使用金刚石砂轮磨削时，金刚石砂轮通过磨削的方式使得玻璃表面发生脆性断裂，非球面镜边缘应力分布集中，磨削后会引起非球面镜边缘的面形翘边。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足，解决边缘效应与应力变形问题。

一种消边缘效应的非球面镜体：所述非球面镜体由圆柱形镜胚构成，圆柱形镜胚上包括第一端面、第二端面、柱面侧壁，非球面结构位于第一端面上，其特征在于非球面结构上还设置有第一圆槽，其中第一圆槽回转轴线与非球面回转轴线重合，且第一圆槽内径大于非球面口径。使用该镜体加工非球面时，将边缘效应产生的范围内控制在非球面上第一圆槽之外的环形区域，然后将非球面口径之外的环形区域切除，剩下部分即为没有边缘效应的反射镜。

使用上述圆柱形镜胚加工非球面的具体步骤如下：

步骤一，制备圆柱形镜胚步骤：根据非球面的结构参数加工可以包络非球面镜的圆柱形镜胚；其中所述的圆柱形镜胚由第一端面、第二端面、柱面侧壁构成，第一端面用于加工非球面结构，圆柱形镜胚直径大于非球面镜的口径，第一端面与第二端面平行且均与圆柱形镜胚的柱面侧壁垂直；

步骤二，加工第一圆槽步骤：将加工好的第一端面向上固定在立式机床的转台上；其中立式机床主轴轴线与立式机床转台轴线重合，立式机床转台轴线与圆柱形镜胚的轴线重合，圆柱形镜胚的第一端面与转台表面平行；将金刚石砂轮套筒安装在立式机床主轴上，金刚石砂轮套筒内径不小于非球面镜的口径，使用金刚石砂轮套筒加工出第一圆槽，加工第一圆槽时从第一端面开始沿着圆柱形镜胚轴线方向向下至非球面结构位置后继续向下加工一定深度，从第一端面起算第一圆槽总深度小于圆柱形镜胚厚度；

步骤三，铣磨非球面结构步骤：将金刚石铣磨砂轮安装在立式机床主轴上，在圆柱形镜胚的第一端面上铣磨出非球面结构；

步骤四，研磨抛光步骤：将步骤三中获得非球面结构研磨抛光成非球面镜；

步骤五，切边取镜步骤：具体为：将步骤四中获得非球面镜固定在立式机床的转台上，其中立式机床主轴轴线与立式机床转台轴线重合，立式机床转台轴线与圆柱形镜胚的轴线重合，将所述金刚石砂轮套筒安装在立式机床主轴上，用所述金刚石砂轮套筒套取出非球面镜。

由于上述技术方案的运用，本实用新型的技术方案与现有技术相比具有下列优点：

1.在非球面表面设置第一圆槽，使得后期切边时金刚石砂轮套筒套不会直接对非球面光学面磨削，避免了应力集中而产生的翘边现象。

2.由于在非球面表面设置第一圆槽，在使用金刚石砂轮套筒套取非球面时，无论是从第一圆槽向第二端面磨削还是从第二端面向第一端面磨削都不会在非球面光学面上出现崩口或者崩边。

3.即解决了边缘效应问题，也避免了传统拼接护环法因胶合而产生的应力变形问题。

附图说明

图1：消边缘效应的非球面镜加工示意图；

图2：第二端面与圆柱形底板胶合示意图；

图3：加工好第一圆槽的圆柱形镜胚俯视图；

图4：加工好第一圆槽、第二端面圆槽、非球面结构的圆柱形镜胚前视图；

图5：加工好第一圆槽、第二端面圆槽、非球面结构的圆柱形镜胚剖视图；

图6：一种消边缘效应的凹面非球面镜体示意图；

图7：一种消边缘效应的凸面非球面镜体示意图；

其中1-圆柱形镜胚；2-第一圆槽；3-第二端面圆槽；4圆柱形底板；5-圆柱形镜胚的轴线；6-非球面结构；7-金刚石砂轮套筒；8-第一端面；9-第二端面；10-柱面侧壁；h0-非球面镜中心厚；h1-圆柱形镜胚厚度h1；h2-第一圆槽总深度；h3-第二端面圆槽深度；h6-非球面口径处的边缘厚度；D-非球面口径；D2-金刚石砂轮套筒内径。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型的技术方案做进一步描述。

实施例一：如附图6或图7所示的一种消边缘效应的非球面镜体：所述非球面镜体由圆柱形镜胚1构成，圆柱形镜胚上包括第一端面8、第二端面9、柱面侧壁10，非球面结构6设置于第一端面上8，其特征在于非球面结构上还设置有第一圆槽，其中第一圆槽回转轴线与非球面回转轴线重合，且第一圆槽内径大于非球面口径。

下面结合附图1，以加工口径为D，中心厚度为h0的回转凹非球面反射镜为例详细介绍使用上述圆柱形镜胚加工非球面的具体步骤，

步骤一：根据非球面的结构参数加工可以包络非球面镜的圆柱形镜胚1；其中所述的圆柱形镜胚1由第一端面、第二端面、柱面侧壁构成，第一端面用于加工非球面结构6，圆柱形镜胚直径大于非球面镜的口径D，第一端面与第二端面平行且均与圆柱形镜胚的柱面侧壁垂直；

步骤二：将加工好的第一端面向上固定在立式机床的转台上；其中立式机床主轴轴线与立式机床转台轴线重合，立式机床转台轴线与圆柱形镜胚的轴线5重合，圆柱形镜胚的第一端面与转台表面平行；将金刚石砂轮套筒7安装在立式机床主轴上，金刚石砂轮套筒内径D2不小于非球面镜的口径D，使用金刚石砂轮套筒加工出第一圆槽2，加工第一圆槽时从第一端面开始沿着圆柱形镜胚轴线5方向向下至非球面结构6位置h6后继续向下加工一定深度，从第一端面起算第一圆槽总深度h2小于圆柱形镜胚厚度h1。

步骤三：将金刚石铣磨砂轮安装在立式机床主轴上，在圆柱形镜胚的第一端面上铣磨出非球面结构6；

步骤四：将非球面结构6研磨抛光成非球面镜；

步骤五：用所述金刚石砂轮套筒套取非球面镜；具体步骤为：将步骤四中获得非球面镜固定在立式机床的转台上，其中立式机床主轴轴线与立式机床转台轴线重合，立式机床转台轴线与圆柱形镜胚的轴线重合，将所述金刚石砂轮套筒安装在立式机床主轴上，用所述金刚石砂轮套筒套取出非球面镜。

实施例二：实施例一基础上，所述第一圆槽深度大于等于2mm，这样在后期切边时可以有效避免非球面边缘崩边。

实施例三：如附图1-附图5所示，实施例一基础上，第二端面上还设置有第二端面圆槽3，其中第二端面圆槽回转轴线与非球面回转轴线重合，且第二端面圆槽和第一圆槽的槽宽及内径都相等，第二端面圆槽3深度为h3，满足h2+h3<h1。在圆柱形镜胚的第二端面上打第二端面圆槽之后，更加方便后续切边时只需少量磨削即可取出非球面镜，同时进一步减小磨削应力变形。

实施例四：实施例三基础上，还包括一直径大于非球面镜圆柱形底板4，其中第二端面胶合在所述圆柱形底板4上。该圆柱形底板可以对圆柱形镜胚的第二端面起到保护作用，防止后期加工过程中因意外磕碰而损坏圆柱形镜胚。待取非球面镜时可以通过加热或者有机溶剂浸泡等工艺取下圆柱形底板4。

实施例五：实施例四基础上，所述圆柱形底板4上设有若干个通孔并与第二端面圆槽3连通。将第二端面胶合圆柱形底板之后第二端面圆槽通过设置的通孔与外界空气连通，解决了第二端面圆槽中气体随温度变化对非球面镜体产生的应力变形问题。

优选的第一圆槽的槽宽0.5～2mm。槽宽太宽，研磨抛光时研抛磨头会磕碰第一圆槽的环形边界，容易造成非球面边缘崩边。

优选的步骤四中，第一圆槽中由石蜡填充。石蜡填充第一圆槽缝隙之后，研磨剂或抛光粉就不会陷入第一圆槽中；可以有效避免抛光过程中第一圆槽缝中陷入的研磨剂或抛光粉被研抛磨头带到非球面上而划伤非球面表面，同时由于石蜡没有固定溶点，胶合力也很小，基本不会对周围镜体产生应力，也不影响后期切边取镜。

本实用新型的方法采用的边缘效应消除原理为：光学加工时边缘效应往往会集中在边缘一定范围内，事先制备一大于非球面口径的圆柱形镜胚，成形的非球面上保留有一定深度的第一圆槽，在非球面研磨抛光时将边缘效应产生的范围内控制在非球面上第一圆槽之外的环形区域，然后将非球面口径之外的环形区域切除，剩下部分即为没有边缘效应的反射镜，该技术方案有效的解决了边缘效应问题与应力变形问题，且带来不易在非球面边缘产生崩边和崩口的效果。

本技术方案未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。本技术方案还可以用于去除带有内孔的非球面镜边缘效应，在带内孔的非球面中心小于等于内孔直径的区域加工一定深度的圆槽，原理与本技术方案相同，该圆槽可以有效解决内孔周围的边缘效应和应力变形问题。本技术方案可用于加工旋转对称结构的非球面，同时经过适当改进还可以用于加工离轴非球面。

Claims (7)

1.一种消边缘效应的非球面镜体，所述非球面镜体由圆柱形镜胚构成，圆柱形镜胚上包括第一端面、第二端面、柱面侧壁，非球面结构设置于第一端面上，其特征在于非球面结构上还设置有第一圆槽，其中第一圆槽回转轴线与非球面回转轴线重合，且第一圆槽内径大于非球面口径。

2.根据权利要求1所述的消边缘效应的非球面镜体，其特征在于：所述第一圆槽深度大于等于2mm。

3.根据权利要求1所述的消边缘效应的非球面镜体，其特征在于：第二端面上还设置有第二端面圆槽，其中第二端面圆槽回转轴线与非球面回转轴线重合，且第二端面圆槽和第一圆槽的槽宽及内径都相等。

4.根据权利要求3所述的消边缘效应的非球面镜体，其特征在于：还包括一直径大于非球面镜圆柱形底板，其中第二端面胶合在所述圆柱形底板上。

5.根据权利要求4所述的消边缘效应的非球面镜体，其特征在于：所述圆柱形底板上设有若干个通孔并与第二端面圆槽连通。

6.根据权利要求1～5之一所述的消边缘效应的非球面镜体，其特征在于：第一圆槽的槽宽0.5～2mm。

7.根据权利要求1～5之一所述的消边缘效应的非球面镜体，其特征在于：第一圆槽中由石蜡填充。