一種非球面光學元件中頻誤差控制裝置及控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光學加工和檢測技術領域，具體涉及一種非球面光學元件中頻誤差控制裝置及控制方法。
【背景技術】
[0002]利用非球面光學元件可以矯正像差、改善像質、擴大視場、增大作用距離、減小光能損失，并且使光學系統更容易實現小型輕量化，其在現代光學系統中得到越來越廣泛的應用。由于非球面是在球面基礎上加入了高次曲率，非球面上各點曲率半徑都不相同，現有拋光方式中利用大尺寸剛性拋光墊拋光只能拋光平面與球面，無法滿足非球面拋光需求。如圖1所示，非球面曲率半徑隨著徑向距離的變化發生變化，不再是常量，尤其大偏離量、高陡度非球面曲率半徑可以由幾百變化到幾千。
[0003]非球面光學元件中頻誤差直接影響光學系統點擴散函數明銳度和高功率激光系統散射特性，使光學系統性能大打折扣。越來越多的光學元件表面拋光以功率譜密度為評價標準，將中頻誤差作為評價光學元件質量的重要指標。小工具確定性拋光可以使非球面拋光過程中面形誤差收斂，但不會改善光學元件在銑磨加工階段產生的中頻誤差，小工具加工痕跡甚至會惡化光學元件中頻誤差。
[0004]目前改善光學元件中頻誤差的拋光原理主要是基于Preston方程，即宏觀尺度上光學元件材料去除率與所施加壓力、拋光墊與光學元件相對速度成正比，使用具有一定剛度的拋光墊拋光，光學元件上高點由于壓強更大，去除量更大，從而實現中頻誤差控制。改善中頻誤差的具體方法有以下幾種:1、剛性拋光墊(瀝青等)下墊柔性材料拋光;2、利用周期性壓力下剛性變化材料(非牛頓流體材料)拋光;3、應力盤拋光，將拋光墊分成若干區域，利用不同區域主動變形適應光學元件不同區域曲率半徑。三種方法中前兩種方法以適應非球面曲率半徑代價，對于高陡度大偏離量非球面需要拋光墊剛度很低，中頻修正效率明顯下降；第三種方法需要復雜機械電子控制系統實現拋光墊不同區域變形，另外非球面尺寸不大時，所使用小尺寸拋光墊也使應力盤制作更加困難。
【發明內容】
[0005]為了解決現有非球面拋光工藝中的中頻誤差抑制困難的技術問題，本發明提供一種非球面光學元件中頻誤差控制裝置及控制方法。
[0006]本發明為解決技術問題所采用的技術方案如下:
[0007]本發明的一種非球面光學元件中頻誤差控制裝置，包括:
[0008]鏡片裝卡裝置；
[0009]固定在鏡片裝卡裝置中心的鏡片轉動軸，待拋光鏡片與鏡片轉動軸同心安裝，所述鏡片轉動軸用于帶動待拋光鏡片轉動；
[0010]拋光磨頭；
[0011 ] 通過氣缸的壓力貼合在拋光磨頭表面的拋光墊；
[0012]固定在拋光磨頭中心的磨頭轉動軸，所述磨頭轉動軸用于帶動拋光磨頭和拋光墊自轉；
[0013]由輔助合盤套筒、螺釘支撐圓環和固定螺釘組成的磨頭合盤裝置，將螺釘支撐圓環通過固定螺釘固定在輔助合盤套筒底端，所述螺釘支撐圓環套裝在鏡片轉動軸上且位于待拋光鏡片下表面與鏡片裝卡裝置表面之間，所述待拋光鏡片外邊緣和拋光磨頭外邊緣均與輔助合盤套筒內表面接觸；
[0014]所述拋光磨頭與待拋光鏡片的相對運動方式為:拋光磨頭自轉而待拋光鏡片不動，拋光磨頭不沿待拋光鏡片徑向進給，或者拋光磨頭與待拋光鏡片反方向轉動，拋光磨頭不沿待拋光鏡片徑向進給;通過拋光磨頭與待拋光鏡片的相對運動方式實現待拋光鏡片材料去除，平滑待拋光鏡片中頻誤差。
[0015]進一步的，所述鏡片裝卡裝置采用真空吸附裝置，對待拋光鏡片抽真空后使待拋光鏡片吸附在鏡片裝卡裝置表面，通過鏡片裝卡裝置防止待拋光鏡片變形和滑落。
[0016]進一步的，所述鏡片裝卡裝置采用工業油泥粘接方式或瀝青粘接方式，對待拋光鏡片進行粘接使待拋光鏡片粘接在鏡片裝卡裝置表面，通過鏡片裝卡裝置防止待拋光鏡片變形和滑落。
[0017]進一步的，所述拋光墊采用瀝青材料或墊柔性層瀝青材料制作。
[0018]進一步的，所述拋光磨頭尺寸與待拋光鏡片尺寸相同。
[0019]進一步的，所述拋光墊尺寸與待拋光鏡片尺寸相同。
[0020]本發明還提供了一種非球面光學元件中頻誤差控制方法，該方法包括以下步驟:
[0021]步驟一、安裝待拋光鏡片
[0022]將鏡片轉動軸固定在鏡片裝卡裝置中心，將待拋光鏡片套裝在鏡片轉動軸上，且待拋光鏡片與鏡片轉動軸同心安裝，所述鏡片轉動軸用于帶動待拋光鏡片轉動；
[0023]步驟二、安裝磨頭合盤裝置
[0024]設計磨頭合盤裝置，其包括輔助合盤套筒、螺釘支撐圓環和固定螺釘，固定螺釘和螺釘支撐圓環用于將輔助合盤套筒固定在鏡片裝卡裝置上，將螺釘支撐圓環通過多個固定螺釘固定在輔助合盤套筒底端，螺釘支撐圓環套裝在鏡片轉動軸上且位于待拋光鏡片下表面與鏡片裝卡裝置表面之間，所述待拋光鏡片外邊緣和拋光磨頭外邊緣均與輔助合盤套筒內表面接觸；
[0025]步驟三、安裝拋光磨頭
[0026]將磨頭轉動軸固定在拋光磨頭中心，通過氣缸給拋光墊提供壓力使拋光墊貼合在拋光磨頭表面，所述磨頭轉動軸用于帶動拋光磨頭和拋光墊自轉；
[0027]步驟四、固定待拋光鏡片
[0028]所述鏡片裝卡裝置采用真空吸附裝置，對待拋光鏡片抽真空后使待拋光鏡片吸附在鏡片裝卡裝置表面，或者所述鏡片裝卡裝置采用工業油泥粘接方式或瀝青粘接方式，對待拋光鏡片進行粘接使待拋光鏡片粘接在鏡片裝卡裝置表面，通過鏡片裝卡裝置使待拋光鏡片不變形，且在待拋光鏡片與鏡片轉動軸同心轉動過程中防止待拋光鏡片滑落；
[0029]步驟五、拋光
[0030]利用氣缸給拋光墊提供壓力使拋光墊貼合在拋光磨頭表面，再通過磨頭轉動軸使拋光磨頭和拋光墊自轉，在輔助合盤套筒的輔助下拋光磨頭通過本身自轉與待拋光鏡片同心;
[0031 ]所述拋光磨頭與待拋光鏡片的相對運動方式為:拋光磨頭自轉而待拋光鏡片不動，拋光磨頭不沿待拋光鏡片徑向進給，或者拋光磨頭與待拋光鏡片反方向轉動，拋光磨頭不沿待拋光鏡片徑向進給；
[0032]拋光時用熱水讓拋光墊發生變形并且使拋光墊形狀與待拋光鏡片形狀匹配，在拋光墊與待拋光鏡片之間滴入拋光液實現待拋光鏡片材料去除，平滑待拋光鏡片中頻誤差，待拋光鏡片上材料去除為中心去除量小于邊緣去除量的V型。
[0033]本發明的有益效果是:
[0034]1、本發明的非球面光學元件中頻誤差控制裝置可以使用大尺寸剛性拋光磨頭通過自轉實現待拋光鏡片材料去除，并且由拋光磨頭性質可以實現非球面光學元件中頻誤差校正，對改善非球面光學元件質量和提高光學系統性能具有重要意義。
[0035]2、本發明中的待拋光鏡片與拋光磨頭相對運動的方式主要兩種，第一種為拋光磨頭自轉，待拋光鏡片不動，第二種為拋光磨頭與待拋光鏡片反方向轉動，兩種方式下拋光磨頭都不沿待拋光鏡片徑向進給，兩種相對運動方式差別僅為第二種可以實現更大去除量。由于沒有徑向進給，不存在拋光時曲率半徑失配影響，不會產生明顯的曲率半徑失配造成的局部去除異常。這兩種拋光磨頭與待拋光鏡片相對運動方式使得拋光磨頭與待拋光鏡片相對運動速度中心為零，而邊緣最大，這樣中心材料去除為零，邊緣去除最大。盡管待拋光鏡片材料去除形狀為V形，但由于不存在非球面曲率半徑失配問題，能夠使用尺寸和剛性更大拋光磨頭，對于光學元件中頻誤差具有較好的改善作用。
[0036]3、相比于墊柔性材料和周期性壓力下剛性變化材料制作的拋光磨頭具有更大尺寸，本發明可以使用剛度更大材料制作拋光磨頭，可以實現更好平滑效果。
[0037]4、相比于應力盤拋光，本發明所用拋光磨頭制作更為方便。
【附圖說明】
[0038]圖1為非球面光學元件曲率半徑與球面光學元件曲率的差異圖。
[0039]圖2為本發明的一種非球面光學元件中頻誤差控制裝置的結構示意圖。
[0040]圖3為磨頭合盤裝置的結構示意圖。
[0041]圖中:1、鏡片裝卡裝置，2、拋光磨頭，3、拋光墊，4、磨頭合盤裝置，5、待拋光鏡片，
6、鏡片轉動軸，7、磨頭轉動軸。
【具體實施方式】
[0042]以下結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
[0043]如圖2所示，本發明的一種非球面光學元件中頻誤差控制裝置，用于在對非球面元件進行拋光的過程中實現對非球面光學元件中頻誤差的控制，該裝置主要包括:鏡片裝卡裝置1、拋光磨頭2、拋光墊3、磨頭合盤裝置4、鏡片轉動軸6、磨頭轉動軸7和給拋光墊3提供一定壓力的氣缸。
[0044]鏡片轉動軸6固定在鏡片裝卡裝置I上端中心位置，待拋光鏡片5安裝在鏡片轉動軸6上，并且待拋光鏡片5與鏡片轉動軸6同心安裝，鏡片轉動軸6用于帶動待拋光鏡片5轉動。鏡片裝卡裝置I在拋光過程中需要提供足夠拉力使待拋光鏡片5不發生移動且不易滑落，鏡片裝卡裝置I可以采用真空吸附裝置，對待拋光鏡片5抽真空后可以使待拋光鏡片5吸附在鏡片裝卡裝置I表面，鏡片裝卡裝置I也可以采用工業油泥粘接方式或瀝青粘接方式，對待拋光鏡片5進行粘接使待拋光鏡片5粘接在鏡片裝卡裝置I表面，通過鏡片裝卡裝置I可以保證待拋光鏡片5基本不變形，同時可以保證在待拋光鏡片5與鏡片轉動軸6同心轉動過程中待拋光鏡片5不滑落。
[0045]磨頭轉動軸7固定在拋光磨頭2中心位置，通過氣缸給拋光墊3提供壓力使拋光墊3貼合在拋光磨頭2表面，拋光磨頭2和拋光墊3的尺寸均與待拋光鏡片5的尺寸相同。磨頭轉動軸7帶動拋光磨頭2以及拋光墊3自轉，以實現待拋光鏡片5材料去除。拋光磨頭2具有足夠剛度，拋光墊3在長時間內具有一定的流動性。拋光墊3可以使用完全瀝青材料、墊柔性層瀝青材料或者其他短時間剛性強的材料制作，保證整個待拋光鏡片5上均有材料去除，此時整個待拋光鏡片5上材料去除為中心去除少、邊緣去除多的V型。
[0046]如圖3所示，磨頭合盤裝置4主要包括輔助合盤套筒41、螺釘支撐圓環42和固定螺釘43，固定螺釘43和螺釘支撐圓環42用于將輔助合盤套筒41固定在鏡片裝卡裝置I上，將螺釘支撐圓環42通過多個固定螺釘43與輔助合盤套筒41底端固定在一起，螺釘支撐圓環42套裝在鏡片轉動軸6上，且位于待拋光鏡片5下表面與鏡片裝卡裝置I表面之間，待拋光鏡片5外邊緣以及拋光磨頭2外邊緣都與輔助合盤套筒41內