離軸非球面鏡的加工方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及一種光學元件的加工，具體涉及一種離軸非球面鏡的加工方法。
【背景技術】
[0002]現有技術中，利用離軸非球面鏡架構的光學系統具有組件少、無遮攔、長焦距、大視場、寬波段、抑制雜光能力強、調制傳遞函數高等特點，是空間光學系統、天文學和高精度測量系統不可或缺的光學器件。三鏡反射系統是其最典型的應用，作為空間望遠鏡的核心部件，可以避免中心遮攔，還能減少系統體積和重量，同時提高系統的成像質量。鑒于以上優點，研究開發新的非球面光學元件的加工技術一直是光學加工領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、研磨和拋光等技術加工，可達到超精密加工的要求。單點金剛石切削可實現光學質量表面的單工序加工，不需要研磨等復雜的后續工序;隨著快刀和慢刀伺服的出現，為主軸的轉動角度添加了反饋或控制，可實現離軸非球面的高效加工，目前非球面光學元件的制造技術已從傳統的手工修改球形表面發展到計算機控制確定性的加工過程。
[0004]盡管目前已經發展了諸多如此先進的技術，然而其高度依賴精密復雜結構的儀器設備。眾所周知，這些高精密光學加工儀器設備又嚴重依賴進口，其設備價格昂貴且設備使用后期維護成本高，只有國內少部分科研機構或者大型企業有實力使用這些設備來加工離軸非球面。實際上在我國光學加工領域，采用最多的技術路線依然是如附圖1所示，依據非球面方程，由非球面母線I確定并制造出最為接近非球面的最接近球面2，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計要求的非球面3。衡量每一過程加工質量的指標是: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。上述環節解決的好壞將直接影響到被加工工件的表面質量，處理好這些技術難點多年來一直為各國光學技術人員所關注。然而，在傳統研磨工藝中，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，由于最邊緣區域的相對加工時間小于中間區域，則去除量減少，工件發生“翹邊”；反之，當磨頭部份露出工件邊緣時，由于相對壓力增大，使邊緣區域去除量增加，工件發生“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K〈0時，離軸非球面拼接為回轉對稱非球面母鏡的加工技術中，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非球面母鏡的材料去除分布曲線為W形，如附圖7中11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，如圖2所示，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，如圖3所示，塌邊后即在邊緣很窄的帶內出現一個誤差峰值，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]在傳統的工藝中處理邊緣效應的技術方案有以下兩種，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，如圖4所示，嚴重影響拋光階段邊緣面形誤差的收斂速度;2.加大回轉非球面圓柱直徑尺寸，研磨階段處理鏡面0.707外邊緣翹邊所產生的碎帶位置出現在離軸非球面子鏡位置之外，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。
【發明內容】
[0007]本發明的發明目的是提供一種離軸非球面鏡的加工方法，用于加工圓錐常數K〈0的凹二次非球面鏡離軸鏡，不需要依賴高精復雜儀器設備，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問題。
[0008]為達到上述發明目的，本發明采用的技術方案是:一種離軸非球面鏡的加工方法，用于圓錐常數Κ〈0的凹二次非球面鏡離軸鏡加工，包括下列步驟:
(1)按照離軸非球面鏡子體結構參數設計回轉非球面母體的結構，確定一次加工離軸非球面子體的數量；
(2)在母體毛坯件上開挖用于鑲嵌子體結構的通孔；
(3)上盤步驟，將各個子體毛坯件置于通孔中，使用光學粘結劑將各離軸非球面鏡子體與回轉非球面母體組合成圓柱型整體工件；
(4)在整體工件上表面加工出用于加工回轉非球面的起始球面；
(5)研磨步驟，使用輪廓儀的面形誤差檢測結果指導研磨，修正起始球面與回轉非球面之間的面形誤差；
(6)拋光步驟，使用干涉儀或刀口儀的面形誤差檢測結果指導拋光，從拋光好的子母同體非球面中取出離軸非球面子體；
其中:所述起始球面的口徑D與整體工件的圓柱直徑相等，起始球面的曲率半徑R等于回轉非球面母線方程中的頂點與該回轉非球面母線上1.414D 口徑處的第一點、第二點這三點所構成三角形的外接圓的半徑。
[0009]上述技術方案中，回轉非球面母線上1.414D口徑處分別具有位于回轉軸兩側的兩個點，即所述的第一點和第二點。
[0010]上述技術方案中，所述研磨步驟中，研磨所使用的研磨盤為曲率半徑等于回轉非球面母體最接近球曲率半徑的凸球面，研磨盤材料為玻璃;研磨方法為:以圓柱型整體工件側的壁圓柱為基準調整使其圓柱軸心線與轉臺轉軸同軸，然后將工件固定在在轉臺上，研磨時在工件待加工面均勻涂布研磨磨料，研磨盤在工件表面的運動方式為在待加工面口徑直徑方向上的往復運動。
[0011]進一步的技術方案，所述研磨盤的凸面上刻有若干條凹槽。
[0012]研磨時，研磨盤移動到工件邊緣而不露邊。
[0013]上述技術方案中，所述研磨步驟中，研磨所使用磨料的選擇方法是，先判斷母線面形誤差的PV值，當PV > 300微米時使用粒度W40的磨料研磨，當30微米< PV<300微米使用粒度W28的磨料研磨，當5微米< PV<30微米使用粒度W14的磨料研磨，當PV<5微米使用粒度WlO的磨料研磨。
[0014]所述研磨步驟中，研磨階段母線面形誤差PV2 10微米時使用輪廓儀測量回轉非球面母鏡的母線，用母線上的誤差分布曲線指導，采用回轉方式研磨修正整個回轉非球面上的對稱性誤差；當PV< 10微米時，用輪廓儀分別測量各個離軸子鏡的三維面誤差分布，用三維面誤差分布指導，采用定點方式研磨修正各個離軸子鏡局部非對稱誤差。
[0015]上述技術方案中，所述拋光步驟中，先采用回轉拋光方式去除回轉非球面上表面微裂紋破壞層;待各個離軸非球面子鏡表面微裂完全被去除后，采用定點拋光方式修正各個離軸子鏡面形誤差。
[0016]所述拋光步驟中，當面形誤差PV〈0.5微米時，將離軸非球面子體從子母同體非球面中取出，將離軸非球面子體拋光至圖紙設計值。
[0017]由于上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點:
傳統加工工藝中，先加工最接近球面，然后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;本發明克服了上述技術問題，實現了不依賴高精復雜儀器設備，不需要花費特別精力處理0.707帶外邊緣誤差，只需加工出本發明所述的起始球，按照傳統的工藝即可迅速完成后期光學加工的技術效果，特別適用旋轉對稱凹二次非球面離軸鏡光學元件的加工。
[0018]本發明克服了傳統加工工藝中以最小材料去除量為目標設計加工起始球面的技術偏見，通過刻意增加材料去除量的方式設計出的起始球面材料去除量在整個工件上呈現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速可以輕而易舉的將其去除，克服了傳統加工修正W形誤差帶受邊緣效應易產生碎帶影響誤差收斂慢的技術