用于加工矩形離軸非球面鏡的鏡體的制作方法
【專利摘要】本實用新型一種用于加工矩形離軸非球面鏡的鏡體，包括矩形離軸非球面鏡坯、圓柱形配框，圓柱形配框上設(shè)有矩形通孔，矩形離軸非球面鏡坯的幾何中心到圓柱形配框軸心線的水平距離等于非球面離軸鏡的離軸量，矩形離軸非球面鏡坯與矩形通孔之間通過光學膠粘結(jié)構(gòu)成回轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，其特征是：拼接后的回轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)的上表面為凹球面，其凹球面球心在圓柱形配框的圓柱軸心線上，其球面口徑等于圓柱形配框直徑，其球面曲率半徑等于矩形離軸非球面母線方程的頂點與其母線方程上口徑等于1.414倍球面口徑處的第一點、第二點所構(gòu)成的三角形的外接圓的半徑。本實用新型解決了現(xiàn)有技術(shù)中邊緣效應的影響問題，提高了非球面加工的效率，降低了加工難度。
【專利說明】
用于加工矩形離軸非球面鏡的鏡體
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及一種光學元件的加工坯料，具體涉及一種用于加工圓錐常數(shù)κ〈ο的凹二次非球面鏡離軸鏡的鏡體。
【背景技術(shù)】
[0002]利用離軸非球面鏡架構(gòu)的光學系統(tǒng)具有組件少、無遮攔、長焦距、大視場、寬波段、抑制雜光能力強、調(diào)制傳遞函數(shù)高等特點，是空間光學系統(tǒng)、天文學和高精度測量系統(tǒng)不可或缺的光學器件。三鏡反射系統(tǒng)是其最典型的應用，作為空間望遠鏡的核心部件，可以避免中心遮攔，還能減少系統(tǒng)體積和重量，同時提高系統(tǒng)的成像質(zhì)量。鑒于以上優(yōu)點，研究開發(fā)新的非球面光學元件的加工技術(shù)一直是光學加工領(lǐng)域研究的一項重要任務。
[0003]離軸非球面鏡作為非球面的一部分，自身不具備軸對稱性，是一種典型的自由曲面光學元件，這種形狀給加工帶來了困難。同時，離軸非球面鏡的應用領(lǐng)域決定了它需要達到超精密加工要求，即不僅要求具有納米量級的表面粗糙度，更要求具有微米甚至亞微米的面形精度。目前，普通非球面鏡一般采用金剛石切削、研磨和拋光等技術(shù)加工，可達到超精密加工的要求。單點金剛石切削可實現(xiàn)光學質(zhì)量表面的單工序加工，不需要研磨等復雜的后續(xù)工序;隨著快刀和慢刀伺服的出現(xiàn)，為主軸的轉(zhuǎn)動角度添加了反饋或控制，可實現(xiàn)離軸非球面的高效加工，目前非球面光學元件的制造技術(shù)已從傳統(tǒng)的手工修改球形表面發(fā)展到計算機控制確定性的加工過程。
[0004]盡管目前已經(jīng)發(fā)展了諸多如此先進的技術(shù)，然而其高度依賴精密復雜結(jié)構(gòu)的儀器設(shè)備，眾所周知這些高精密光學加工儀器設(shè)備又嚴重依賴進口，其設(shè)備價格昂貴且設(shè)備使用后期維護成本高，只有國內(nèi)少部分科研機構(gòu)或者大型企業(yè)有實力使用這些設(shè)備來加工離軸非球面。實際上在我國光學加工領(lǐng)域，采用最多的技術(shù)路線依然是如附圖4所示，依據(jù)非球面方程11先制造出與非球面相比最為接近的球面12，然后依靠精密研磨、精密拋光等工序，多周期修正最接近球面與非球面的偏差量，直至最終得到圖紙設(shè)計要求的非球面13。衡量每一過程加工質(zhì)量的指標是:面形誤差的收斂速度、下表面破壞層深度的控制、邊緣磨削量的控制即邊緣效應的去除。上述環(huán)節(jié)解決的好壞將直接影響到被加工工件的表面質(zhì)量，處理好這些技術(shù)難點多年來一直為各國光學技術(shù)人員所關(guān)注。然而，在傳統(tǒng)研磨工藝中，保持壓力恒定，靠控制磨頭在工件表面的駐留時間來控制去除量，當磨頭移動到工件邊緣而不露邊時，由于最邊緣區(qū)域的相對加工時間小于中間區(qū)域，則去除量減少，工件發(fā)生“翹邊”；反之，當磨頭部份露出工件邊緣時，由于相對壓力增大，使邊緣區(qū)域去除量增加，工件發(fā)生“塌邊”，離軸非球面鏡尤其是矩形口徑離軸非球面鏡或者多邊形口徑離軸非球面鏡，其邊緣呈直線分布，且直線上各個點的面形誤差不具有旋轉(zhuǎn)對稱性使得其邊緣問題處理更為困難。
[0005]除此之外，二次凹非球面Κ〈0時，離軸非球面拼接為回轉(zhuǎn)對稱非球面母鏡的加工技術(shù)中，先在拼接后非球面母鏡上加工出最接近球面然后通過研磨工藝修正為非球面，相比最為接近的球面的回轉(zhuǎn)非球面母鏡的材料去除分布曲線為W形，如圖6中曲線16所示，材料去除分布在母鏡口徑0.707處最低，中心和邊緣高。在研磨0.707帶外的邊緣時由于邊緣效應的存在若磨盤不出邊則最低帶慢慢向外邊緣移，隨著最低帶外移磨盤尺寸逐漸減小相應去除效率也減小;若磨盤出邊則在工件邊緣塌邊，塌邊后即在邊緣很窄的帶內(nèi)出現(xiàn)一個誤差峰值，如要去除這個峰值需要花費大量的精力相應去除效率也減小。正是由于邊緣效應的存在，以往的最接近球0.707帶外的誤差非常難處理。若在研磨階段工件0.707之外邊緣處理不好會嚴重影響到后期的拋光進程，嚴重阻礙面形誤差收斂，在一定程度上影響了非球面加工的效率和增大了加工難度。
[0006]在傳統(tǒng)的工藝中處理邊緣效應的技術(shù)方案有一下兩種，1.直接研磨，隨著鏡面上最低帶的外移逐步縮小研磨盤的尺寸，經(jīng)過多次反復加工外邊緣的誤差逐步縮小，這種加工方式會在處理邊緣上耗費大量的時間，且由于使用的磨盤逐步變小容易磨出更多的高低起伏的碎帶，嚴重影響拋光階段邊緣面形誤差的收斂速度;2.加大回轉(zhuǎn)非球面圓柱直徑尺寸，研磨階段處理鏡面0.707外邊緣翹邊所產(chǎn)生的碎帶位置出現(xiàn)在離軸非球面子鏡位置之夕卜，這種加工方式實際上是加工了一個口徑比實際要求口徑大的非球面，把與研磨拋光過程中邊緣問題留在離軸非球面子鏡之外的母鏡上，顯然增加了材料成本，延長了加工周期。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本實用新型的發(fā)明目的是提供一種用于加工矩形離軸非球面鏡的鏡體，用于加工圓錐常數(shù)κ〈ο的凹二次非球面鏡離軸鏡，不需要依賴高精復雜儀器設(shè)備，不需要花費特別精力處理離軸非球面子鏡邊緣誤差，以解決在研磨階段受邊緣效應影響導致工件邊緣處理效率低的技術(shù)問題。
[0008]為達到上述發(fā)明目的，本實用新型采用的技術(shù)方案是:一種用于加工矩形離軸非球面鏡的鏡體，用于加工圓錐常數(shù)Κ〈0的凹二次非球面鏡離軸鏡，包括矩形離軸非球面鏡坯，用于將矩形離軸非球面鏡坯拼接為回轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)的圓柱形配框，位于圓柱形配框上用于嵌套矩形離軸非球面鏡的矩形通孔，其中矩形離軸非球面鏡坯的幾何中心到圓柱形配框軸心線的水平距離等于非球面離軸鏡的離軸量，矩形離軸非球面鏡坯與矩形通孔之間通過光學膠粘結(jié)構(gòu)成回轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，拼接后的回轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)的上表面為凹球面，其凹球面球心在圓柱形配框的圓柱軸心線上，其球面口徑等于圓柱形配框直徑，其球面曲率半徑等于矩形離軸非球面母線方程的頂點與其母線方程上口徑等于1.414倍球面口徑處的第一點、第二點所構(gòu)成的三角形的外接圓的半徑。
[0009]上述技術(shù)方案中，所述的第一點和第二點是回轉(zhuǎn)非球面母線上1.414D口徑處分別位于回轉(zhuǎn)軸兩側(cè)的兩個點。
[0010]上述技術(shù)方案中，所述圓柱形配框上的矩形通孔與矩形離軸非球面鏡坯之間的接觸縫間隙寬為0.5至I毫米。
[0011]進一步的技術(shù)方案，包括用于定位并控制拼接縫間隙的塑料薄片，所述塑料薄片通過光學膠粘結(jié)于矩形離軸非球面鏡坯與矩形通孔的接觸縫間隙中。
[0012]優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的矩形通孔側(cè)壁相交棱處設(shè)置有圓形通孔，其圓形通孔的軸心線位于矩形通孔側(cè)壁相交棱上。
[0013]進一步的技術(shù)方案，矩形離軸非球面鏡坯底部和圓柱形配框底部設(shè)置有圓柱形背板。
[0014]所述圓柱形背板是厚度為3至6毫米的窗玻璃板。
[0015]由于上述技術(shù)方案運用，本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點:
[0016]傳統(tǒng)用于加工矩形離軸非球面鏡的鏡體的上表面為最接近球面，加工時通過研磨加工非球面，在將最接近球面改為非球面的過程中，由于邊緣效應影響使工件邊緣去除量難以控制，嚴重阻礙面形誤差收斂，在一定程度上影響了非球面加工的效率，增加了加工難度;本實用新型通過設(shè)置上表面為起始球面，克服了上述技術(shù)問題，實現(xiàn)了不依賴高精復雜儀器設(shè)備，不需要花費特別精力處理0.707帶外邊緣誤差，只需加工出本實用新型所述的起始球面，按照傳統(tǒng)的工藝即可迅速完成后期光學加工的技術(shù)效果，特別適用旋轉(zhuǎn)對稱凹二次非球面離軸鏡光學元件的加工。
[0017]本實用新型克服了傳統(tǒng)加工工藝中以最小材料去除量為目標設(shè)計加工起始球面的技術(shù)偏見，通過刻意增加材料去除量的方式設(shè)計出的起始球面材料去除量在整個工件上呈現(xiàn)從邊緣到中心逐漸增大的分布；用較大尺寸研磨盤配合高工件轉(zhuǎn)速可以輕而易舉的將其去除，克服了傳統(tǒng)加工修正W形誤差帶受邊緣效應易產(chǎn)生碎帶影響誤差收斂慢的技術(shù)問題。
【附圖說明】
[0018]附圖1為本實用新型實施例中離軸非球面鏡坯拼接為圓柱形回轉(zhuǎn)體的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]附圖2為拼接后的回轉(zhuǎn)體前視圖；
[0020]附圖3為矩形通孔相交棱上圓形通孔示意圖；
[0021]附圖4為現(xiàn)有技術(shù)中非球面最接近面示意圖與非球面關(guān)系圖；
[0022]附圖5為實施例中回轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)的上表面球面與非球面關(guān)系圖；
[0023 ]附圖6為實施例和現(xiàn)有技術(shù)中材料去除分布曲線對比圖。
[0024]其中:卜矩形離軸非球面鏡坯;2-圓柱形配框;3-矩形通孔;4-離軸量;5-頂點；6_第一點；7-第二點;8- 1.414倍球面口徑;9-圓柱形背板;10-圓形通孔;11-非球面母線；12-最接近球面；13-非球面；14-圓柱形配框直徑；15- OXZ坐標系中由非球面母線得到的回轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)的上表面球面；16-現(xiàn)有技術(shù)的材料去除分布曲線；17-實施例的材料去除分布曲線。
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖及實施例對本實用新型作進一步描述:
[0026]實施例:矩形離軸非球面結(jié)構(gòu)參數(shù):R=407.6mm，K=-0.48，離軸鏡長120mm，離軸鏡寬86mm，離軸量30mm ；依據(jù)離軸鏡子體結(jié)構(gòu)設(shè)計回轉(zhuǎn)母體結(jié)構(gòu)直徑230mm；回轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)的上表面球面的曲率半徑可由非球面頂點與非球面上1.414D 口徑即325.22mm 口徑處兩點所構(gòu)成外接圓求得，計算得到起始球半徑為415.558mm。由此得到本實施例的用于加工矩形離軸非球面鏡的鏡體。
[0027]采用本實施例的鏡體加工離軸非球面鏡。起始球面加工非球面的材料去除分布曲線如圖6中17所示，其分布曲線呈現(xiàn)高斯型曲線分布，相比非球面母線方程去除量PV為165.2微米;加工一個口徑為230mm，曲率半徑415.6mm的起始凹球面;加工三個凸球面研磨盤，曲率半徑411.5mm, 口徑分別為60mm、40mm、25mm，研磨盤上刻有寬2mm，深2mm的圓形凹槽;先選用粒度為W28的金剛砂對起始球進行研磨，工件轉(zhuǎn)速50轉(zhuǎn)/分鐘，研磨盤運動方式為過鏡面中心徑向方向的往復運動，輪廓儀測量母線，用母線上誤差分布指導加工;誤差曲線PV〈30微米時，換用粒度W14的金剛砂研磨，工件轉(zhuǎn)速20轉(zhuǎn)/分鐘，研磨盤運動方式為過鏡面中心徑向方向的往復運動，輪廓儀測量母線，用母線上誤差分布指導加工;誤差曲線PV〈5微米時，換用粒度WlO的金剛砂定點研磨，工件轉(zhuǎn)速為零，用輪廓儀測量非球面子母同體結(jié)構(gòu)中的子體部分獲得整個子體的面誤差分布數(shù)據(jù)指導修正非對稱性局部誤差;PV〈3微米時，粒度Wl O的金剛砂研磨，工件轉(zhuǎn)速為12轉(zhuǎn)/分，使材料表面各處深度均勻去除1微米，通過這一工序可以最大限度保證整個鏡面各處材料破壞層分布均勻一致;最終研磨獲得面形誤差PV〈3微米的非球面。轉(zhuǎn)入拋光階段后，選用氧化鈰拋光粉，聚氨酯拋光模，轉(zhuǎn)速50轉(zhuǎn)/分，對整個回轉(zhuǎn)非球面子母同體結(jié)構(gòu)面去除10微米;之后轉(zhuǎn)速為零，直接針對離軸非球面子體部分局部修拋，待PV〈0.5微米時，將離軸鏡從非球面母鏡中取出，將離軸非球面修至圖紙設(shè)計要求值。
【主權(quán)項】
1.一種用于加工矩形離軸非球面鏡的鏡體，用于加工圓錐常數(shù)κ〈0的凹二次非球面鏡離軸鏡，包括矩形離軸非球面鏡坯(I )，用于將矩形離軸非球面鏡坯拼接為回轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)的圓柱形配框(2)，位于圓柱形配框上用于嵌套矩形離軸非球面鏡的矩形通孔(3)，其中矩形離軸非球面鏡坯的幾何中心到圓柱形配框軸心線的水平距離等于非球面離軸鏡的離軸量(4)，矩形離軸非球面鏡坯與矩形通孔之間通過光學膠粘結(jié)構(gòu)成回轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，其特征在于:拼接后的回轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)的上表面為凹球面，其凹球面球心在圓柱形配框的圓柱軸心線上，其球面口徑等于圓柱形配框直徑，其球面曲率半徑等于矩形離軸非球面母線方程的頂點(5)與其母線方程上口徑等于1.414倍球面口徑(8)處的第一點(6)、第二點(7)所構(gòu)成的三角形的外接圓的半徑。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于加工矩形離軸非球面鏡的鏡體，其特征在于:所述圓柱形配框(2)上的矩形通孔(3)與矩形離軸非球面鏡坯之間的接觸縫間隙寬為0.5至I毫米。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于加工矩形離軸非球面鏡的鏡體，其特征在于:包括用于定位并控制拼接縫間隙的塑料薄片，所述塑料薄片通過光學膠粘結(jié)于矩形離軸非球面鏡坯(I)與矩形通孔(3)的接觸縫間隙中。4.根據(jù)權(quán)利要求1?3之一所述的用于加工矩形離軸非球面鏡的鏡體，其特征在于:所述的矩形通孔(3)側(cè)壁相交棱處設(shè)置有圓形通孔(10)，其圓形通孔的軸心線位于矩形通孔側(cè)壁相交棱上。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于加工矩形離軸非球面鏡的鏡體，其特征在于:矩形離軸非球面鏡坯(I)底部和圓柱形配框(2)底部設(shè)置有圓柱形背板(9)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于加工矩形離軸非球面鏡的鏡體，其特征在于:所述圓柱形背板(9)是厚度為3至6毫米的窗玻璃板。
【文檔編號】G02B3/02GK205643756SQ201620118094
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年2月6日
【發(fā)明人】陳曦, 郭培基, 范建彬
【申請人】蘇州大學