用于加工矩形离轴非球面镜的镜体的制作方法
【专利摘要】本实用新型一种用于加工矩形离轴非球面镜的镜体，包括矩形离轴非球面镜坯、圆柱形配框，圆柱形配框上设有矩形通孔，矩形离轴非球面镜坯的几何中心到圆柱形配框轴心线的水平距离等于非球面离轴镜的离轴量，矩形离轴非球面镜坯与矩形通孔之间通过光学胶粘结构成回转对称结构，其特征是：拼接后的回转对称结构的上表面为凹球面，其凹球面球心在圆柱形配框的圆柱轴心线上，其球面口径等于圆柱形配框直径，其球面曲率半径等于矩形离轴非球面母线方程的顶点与其母线方程上口径等于1.414倍球面口径处的第一点、第二点所构成的三角形的外接圆的半径。本实用新型解决了现有技术中边缘效应的影响问题，提高了非球面加工的效率，降低了加工难度。
【专利说明】
用于加工矩形离轴非球面镜的镜体
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种光学元件的加工坯料，具体涉及一种用于加工圆锥常数κ〈ο的凹二次非球面镜离轴镜的镜体。
【背景技术】
[0002]利用离轴非球面镜架构的光学系统具有组件少、无遮拦、长焦距、大视场、宽波段、抑制杂光能力强、调制传递函数高等特点，是空间光学系统、天文学和高精度测量系统不可或缺的光学器件。三镜反射系统是其最典型的应用，作为空间望远镜的核心部件，可以避免中心遮拦，还能减少系统体积和重量，同时提高系统的成像质量。鉴于以上优点，研究开发新的非球面光学元件的加工技术一直是光学加工领域研究的一项重要任务。
[0003]离轴非球面镜作为非球面的一部分，自身不具备轴对称性，是一种典型的自由曲面光学元件，这种形状给加工带来了困难。同时，离轴非球面镜的应用领域决定了它需要达到超精密加工要求，即不仅要求具有纳米量级的表面粗糙度，更要求具有微米甚至亚微米的面形精度。目前，普通非球面镜一般采用金刚石切削、研磨和抛光等技术加工，可达到超精密加工的要求。单点金刚石切削可实现光学质量表面的单工序加工，不需要研磨等复杂的后续工序;随着快刀和慢刀伺服的出现，为主轴的转动角度添加了反馈或控制，可实现离轴非球面的高效加工，目前非球面光学元件的制造技术已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。
[0004]尽管目前已经发展了诸多如此先进的技术，然而其高度依赖精密复杂结构的仪器设备，众所周知这些高精密光学加工仪器设备又严重依赖进口，其设备价格昂贵且设备使用后期维护成本高，只有国内少部分科研机构或者大型企业有实力使用这些设备来加工离轴非球面。实际上在我国光学加工领域，采用最多的技术路线依然是如附图4所示，依据非球面方程11先制造出与非球面相比最为接近的球面12，然后依靠精密研磨、精密抛光等工序，多周期修正最接近球面与非球面的偏差量，直至最终得到图纸设计要求的非球面13。衡量每一过程加工质量的指标是:面形误差的收敛速度、下表面破坏层深度的控制、边缘磨削量的控制即边缘效应的去除。上述环节解决的好坏将直接影响到被加工工件的表面质量，处理好这些技术难点多年来一直为各国光学技术人员所关注。然而，在传统研磨工艺中，保持压力恒定，靠控制磨头在工件表面的驻留时间来控制去除量，当磨头移动到工件边缘而不露边时，由于最边缘区域的相对加工时间小于中间区域，则去除量减少，工件发生“翘边”；反之，当磨头部份露出工件边缘时，由于相对压力增大，使边缘区域去除量增加，工件发生“塌边”，离轴非球面镜尤其是矩形口径离轴非球面镜或者多边形口径离轴非球面镜，其边缘呈直线分布，且直线上各个点的面形误差不具有旋转对称性使得其边缘问题处理更为困难。
[0005]除此之外，二次凹非球面Κ〈0时，离轴非球面拼接为回转对称非球面母镜的加工技术中，先在拼接后非球面母镜上加工出最接近球面然后通过研磨工艺修正为非球面，相比最为接近的球面的回转非球面母镜的材料去除分布曲线为W形，如图6中曲线16所示，材料去除分布在母镜口径0.707处最低，中心和边缘高。在研磨0.707带外的边缘时由于边缘效应的存在若磨盘不出边则最低带慢慢向外边缘移，随着最低带外移磨盘尺寸逐渐减小相应去除效率也减小;若磨盘出边则在工件边缘塌边，塌边后即在边缘很窄的带内出现一个误差峰值，如要去除这个峰值需要花费大量的精力相应去除效率也减小。正是由于边缘效应的存在，以往的最接近球0.707带外的误差非常难处理。若在研磨阶段工件0.707之外边缘处理不好会严重影响到后期的抛光进程，严重阻碍面形误差收敛，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。
[0006]在传统的工艺中处理边缘效应的技术方案有一下两种，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.加大回转非球面圆柱直径尺寸，研磨阶段处理镜面0.707外边缘翘边所产生的碎带位置出现在离轴非球面子镜位置之夕卜，这种加工方式实际上是加工了一个口径比实际要求口径大的非球面，把与研磨抛光过程中边缘问题留在离轴非球面子镜之外的母镜上，显然增加了材料成本，延长了加工周期。
【发明内容】
[0007]本实用新型的发明目的是提供一种用于加工矩形离轴非球面镜的镜体，用于加工圆锥常数κ〈ο的凹二次非球面镜离轴镜，不需要依赖高精复杂仪器设备，不需要花费特别精力处理离轴非球面子镜边缘误差，以解决在研磨阶段受边缘效应影响导致工件边缘处理效率低的技术问题。
[0008]为达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案是:一种用于加工矩形离轴非球面镜的镜体，用于加工圆锥常数Κ〈0的凹二次非球面镜离轴镜，包括矩形离轴非球面镜坯，用于将矩形离轴非球面镜坯拼接为回转对称结构的圆柱形配框，位于圆柱形配框上用于嵌套矩形离轴非球面镜的矩形通孔，其中矩形离轴非球面镜坯的几何中心到圆柱形配框轴心线的水平距离等于非球面离轴镜的离轴量，矩形离轴非球面镜坯与矩形通孔之间通过光学胶粘结构成回转对称结构，拼接后的回转对称结构的上表面为凹球面，其凹球面球心在圆柱形配框的圆柱轴心线上，其球面口径等于圆柱形配框直径，其球面曲率半径等于矩形离轴非球面母线方程的顶点与其母线方程上口径等于1.414倍球面口径处的第一点、第二点所构成的三角形的外接圆的半径。
[0009]上述技术方案中，所述的第一点和第二点是回转非球面母线上1.414D口径处分别位于回转轴两侧的两个点。
[0010]上述技术方案中，所述圆柱形配框上的矩形通孔与矩形离轴非球面镜坯之间的接触缝间隙宽为0.5至I毫米。
[0011]进一步的技术方案，包括用于定位并控制拼接缝间隙的塑料薄片，所述塑料薄片通过光学胶粘结于矩形离轴非球面镜坯与矩形通孔的接触缝间隙中。
[0012]优选的技术方案，所述的矩形通孔侧壁相交棱处设置有圆形通孔，其圆形通孔的轴心线位于矩形通孔侧壁相交棱上。
[0013]进一步的技术方案，矩形离轴非球面镜坯底部和圆柱形配框底部设置有圆柱形背板。
[0014]所述圆柱形背板是厚度为3至6毫米的窗玻璃板。
[0015]由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点:
[0016]传统用于加工矩形离轴非球面镜的镜体的上表面为最接近球面，加工时通过研磨加工非球面，在将最接近球面改为非球面的过程中，由于边缘效应影响使工件边缘去除量难以控制，严重阻碍面形误差收敛，在一定程度上影响了非球面加工的效率，增加了加工难度;本实用新型通过设置上表面为起始球面，克服了上述技术问题，实现了不依赖高精复杂仪器设备，不需要花费特别精力处理0.707带外边缘误差，只需加工出本实用新型所述的起始球面，按照传统的工艺即可迅速完成后期光学加工的技术效果，特别适用旋转对称凹二次非球面离轴镜光学元件的加工。
[0017]本实用新型克服了传统加工工艺中以最小材料去除量为目标设计加工起始球面的技术偏见，通过刻意增加材料去除量的方式设计出的起始球面材料去除量在整个工件上呈现从边缘到中心逐渐增大的分布；用较大尺寸研磨盘配合高工件转速可以轻而易举的将其去除，克服了传统加工修正W形误差带受边缘效应易产生碎带影响误差收敛慢的技术问题。
【附图说明】
[0018]附图1为本实用新型实施例中离轴非球面镜坯拼接为圆柱形回转体的结构示意图；
[0019]附图2为拼接后的回转体前视图；
[0020]附图3为矩形通孔相交棱上圆形通孔示意图；
[0021]附图4为现有技术中非球面最接近面示意图与非球面关系图；
[0022]附图5为实施例中回转对称结构的上表面球面与非球面关系图；
[0023 ]附图6为实施例和现有技术中材料去除分布曲线对比图。
[0024]其中:卜矩形离轴非球面镜坯;2-圆柱形配框;3-矩形通孔;4-离轴量;5-顶点；6_第一点；7-第二点;8- 1.414倍球面口径;9-圆柱形背板;10-圆形通孔;11-非球面母线；12-最接近球面；13-非球面；14-圆柱形配框直径；15- OXZ坐标系中由非球面母线得到的回转对称结构的上表面球面；16-现有技术的材料去除分布曲线；17-实施例的材料去除分布曲线。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述:
[0026]实施例:矩形离轴非球面结构参数:R=407.6mm，K=-0.48，离轴镜长120mm，离轴镜宽86mm，离轴量30mm ；依据离轴镜子体结构设计回转母体结构直径230mm；回转对称结构的上表面球面的曲率半径可由非球面顶点与非球面上1.414D 口径即325.22mm 口径处两点所构成外接圆求得，计算得到起始球半径为415.558mm。由此得到本实施例的用于加工矩形离轴非球面镜的镜体。
[0027]采用本实施例的镜体加工离轴非球面镜。起始球面加工非球面的材料去除分布曲线如图6中17所示，其分布曲线呈现高斯型曲线分布，相比非球面母线方程去除量PV为165.2微米;加工一个口径为230mm，曲率半径415.6mm的起始凹球面;加工三个凸球面研磨盘，曲率半径411.5mm, 口径分别为60mm、40mm、25mm，研磨盘上刻有宽2mm，深2mm的圆形凹槽;先选用粒度为W28的金刚砂对起始球进行研磨，工件转速50转/分钟，研磨盘运动方式为过镜面中心径向方向的往复运动，轮廓仪测量母线，用母线上误差分布指导加工;误差曲线PV〈30微米时，换用粒度W14的金刚砂研磨，工件转速20转/分钟，研磨盘运动方式为过镜面中心径向方向的往复运动，轮廓仪测量母线，用母线上误差分布指导加工;误差曲线PV〈5微米时，换用粒度WlO的金刚砂定点研磨，工件转速为零，用轮廓仪测量非球面子母同体结构中的子体部分获得整个子体的面误差分布数据指导修正非对称性局部误差;PV〈3微米时，粒度Wl O的金刚砂研磨，工件转速为12转/分，使材料表面各处深度均匀去除1微米，通过这一工序可以最大限度保证整个镜面各处材料破坏层分布均匀一致;最终研磨获得面形误差PV〈3微米的非球面。转入抛光阶段后，选用氧化铈抛光粉，聚氨酯抛光模，转速50转/分，对整个回转非球面子母同体结构面去除10微米;之后转速为零，直接针对离轴非球面子体部分局部修抛，待PV〈0.5微米时，将离轴镜从非球面母镜中取出，将离轴非球面修至图纸设计要求值。
【主权项】
1.一种用于加工矩形离轴非球面镜的镜体，用于加工圆锥常数κ〈0的凹二次非球面镜离轴镜，包括矩形离轴非球面镜坯(I )，用于将矩形离轴非球面镜坯拼接为回转对称结构的圆柱形配框(2)，位于圆柱形配框上用于嵌套矩形离轴非球面镜的矩形通孔(3)，其中矩形离轴非球面镜坯的几何中心到圆柱形配框轴心线的水平距离等于非球面离轴镜的离轴量(4)，矩形离轴非球面镜坯与矩形通孔之间通过光学胶粘结构成回转对称结构，其特征在于:拼接后的回转对称结构的上表面为凹球面，其凹球面球心在圆柱形配框的圆柱轴心线上，其球面口径等于圆柱形配框直径，其球面曲率半径等于矩形离轴非球面母线方程的顶点(5)与其母线方程上口径等于1.414倍球面口径(8)处的第一点(6)、第二点(7)所构成的三角形的外接圆的半径。2.根据权利要求1所述的用于加工矩形离轴非球面镜的镜体，其特征在于:所述圆柱形配框(2)上的矩形通孔(3)与矩形离轴非球面镜坯之间的接触缝间隙宽为0.5至I毫米。3.根据权利要求1所述的用于加工矩形离轴非球面镜的镜体，其特征在于:包括用于定位并控制拼接缝间隙的塑料薄片，所述塑料薄片通过光学胶粘结于矩形离轴非球面镜坯(I)与矩形通孔(3)的接触缝间隙中。4.根据权利要求1?3之一所述的用于加工矩形离轴非球面镜的镜体，其特征在于:所述的矩形通孔(3)侧壁相交棱处设置有圆形通孔(10)，其圆形通孔的轴心线位于矩形通孔侧壁相交棱上。5.根据权利要求1或2所述的用于加工矩形离轴非球面镜的镜体，其特征在于:矩形离轴非球面镜坯(I)底部和圆柱形配框(2)底部设置有圆柱形背板(9)。6.根据权利要求5所述的用于加工矩形离轴非球面镜的镜体，其特征在于:所述圆柱形背板(9)是厚度为3至6毫米的窗玻璃板。
【文档编号】G02B3/02GK205643756SQ201620118094
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年2月6日
【发明人】陈曦, 郭培基, 范建彬
【申请人】苏州大学