专利名称：非轴对称非球面镜的磨削加工方法
技术领域：
本发明涉及一种非轴对称非球面镜的磨削加工方法。
具有椭圆面、旋转抛物面、旋转双曲面这种非轴对称非球面的反射镜(以下，称为非轴对称非球面镜)是作为反射X射线、激光、可见光等，使其聚光或发散的光学器件使用的。例如，
图1A所示的旋转椭圆面镜具有两个焦点F1、F2，具有通过一方的焦点F1的光在椭圆面镜上反射，通过另一方的焦点F2的特征。而且，这种椭圆面镜具有来自焦点F1的光高精度地汇聚在焦点F2上的特性。即，如图1B所示，例如位于焦点F1的直径为1mm的光源通过旋转椭圆面镜在焦点F2处汇聚成200分之一至1000分之一，高度聚光成数微米。因此，利用这一特性，提高了来自X射线管的较弱X光的光强度，可用于利用了吸收光线的化学分析，土壤分析等中，或者可将激光的光束汇聚成较细，用于激光刀之外的激光应用仪器中。
为了发挥作为上述的非轴对称非球面镜的目的的功能，必须将非轴对称非球面镜的反射面的形状精度加工成使用的光的波长λ的四分之一以下(例如0.3μm以下)，并且必须使反射面的表面粗度为4埃(0.4nm)以下。
但是，这种超精密镜面的加工若通过现有的加工方式则需要很长的时间(例如数月以上)，因此具有在非轴对称非球面镜的利用上产生障碍的问题。
即，在现有的加工方式中，通过研磨或通常的磨削将表面粗度加工到加工极限的Rmax1～2μm(1000～2000nm)，然后通过抛光精加工到必须的表面粗度(例如数埃)，但由于抛光的留量必须为通常加工前的表面粗度的10倍左右，所以实际上必须要通过抛光加工10～20μm，存在抛光的留量(加工量)大的问题。因此，在将弹性变形的工具不伤及光学器具表面地轻轻按压在其上，供给微细磨粒而研磨的现有的抛光中，要加工10～20μm则需要数个月的时间。
而且，由于通过抛光除去10～20μm时，除去了研磨或磨削时表面的加工变形，所以存在表面和基准面的形状精度恶化的问题，为了获得超精密镜面所必须的形状精度(λ/4以下)，必须要在抛光后对基准面再加工，再次重复抛光，直至重复到必要的精度为止。另外，还存在重复之际，光学器件的基准面上易产生偏离的问题。
而且，如图2A、图2B、图2C所示，非轴对称非球面镜(本例中为旋转椭圆面镜)当为了在矩形的块材(石英等)的表面上加工出曲率较大的曲面，而采用与材料表面(图2C的上面)垂直的以轴为中心旋转的加工工具(例如球状凸头砂轮)时，其下面中心处的加工效率低，并且表面粗度差，相反，当采用具有与材料表面(图2C的上面)平行的旋转轴的加工工具(例如圆筒形砂轮)时，存在着为了避免与材料的干扰而旋转轴加长，因其变形的影响而加工精度恶化的问题。
本发明是为了解决上述问题而提出的。即，本发明的目的在于通提供一种可在短时间内高精度地制作具有高形状精度和优良的表面粗度、能够正确地反射或吸收光的非轴对称非球面镜的磨削加工方法。
根据本发明，提供了一种非轴对称非球面镜的磨削加工方法，其特征在于，具备由以轴心Y为中心旋转、在其外缘上具有半径为R的圆弧面2a的圆板状金属结合剂砂轮2，与该砂轮隔以间隔、相对向的电极4，将导电性液体流入砂轮和电极之间的喷嘴6以及在砂轮和电极之间外加电压的外加装置8构成，通过电解对砂轮进行修整，同时对被加工物1进行磨削加工的电解在线修整装置10；以与上述旋转轴Y垂直的X轴为中心旋转、对上述圆弧面进行精修的旋转式工具12，在机上测量上述砂轮的圆弧面形状和被加工物1的加工面形状的形状测量装置14以及沿X、Y、Z三轴方向对上述砂轮进行数值控制的数值控制装置16；通过数值控制装置16使砂轮向三轴方向移动，重复进行精修、磨削加工和机上测量。
根据本发明的方法，通过数值控制装置16使砂轮向三轴方向移动，可通过旋转式工具12正确地对砂轮外缘的半径为R的圆弧面2a进行精修整。而且，通过一边由电解修整除去砂轮表面磨粒的金属结合剂材料一边进行磨削的电解在线修整装置10，即使磨粒较细，也不会象通常的磨削那样产生砂轮的孔眼堵塞，能够高效率地进行高精度加工。另外，由形状测量装置机14上测量精整后的砂轮的圆弧面和磨削加工后的被加工物1的加工面形状，根据其测量数据对加工数据进行补正，可进行再加工，所以能够高精度地加工出修正了砂轮磨损和加工误差的所希望的形状。
根据本发明的方法，在同一装置内具备电解在线修整装置10、旋转式工具12和形状测量装置14，被加工物安装在共同的安装装置上，所以不必将被加工物从安装装置上卸下即可重复进行加工和测量，能够从根本上避免光学器件基准面的再加工或再安装所产生的基准面偏离。
根据本发明的最佳实施形式，被加工物1是加工面相对于金属结合剂砂轮2的旋转轴Y倾斜30度以上60以内固定在机上的。
根据这一方法，为了能够对成为目标的非轴对称非球面进行加工，即使圆板状的砂轮直径远小于非轴对称非球面的最小曲率，也可以避免被加工物1和砂轮旋转轴的干涉，从而不必增加金属结合剂砂轮2的旋转轴长度，因此，可将其位移抑制在最小，维持高加工精度。
而且，相对于被加工物1的加工面，上述砂轮沿其旋转轴Y的方向相对高速地进给，同时沿与其垂直的X方向相对低速地移动，进行磨削加工。
根据这一方法，能够防止砂轮表面的微细凹凸复制到被加工物1的加工面上，可获得表面粗度良好的加工面。
上述形状测量装置最好采用激光式形状测量装置或接触式形状测量装置。
通过采用激光式形状测量装置，能够从离开的位置在机上高精度地测量砂轮的圆弧面形状和被加工物的加工面形状。而且，通过采用接触式形状测量装置，即使在恶劣的条件下也能够正确地进行机上测量。
本发明的其它目的和特征通过参照附图的下述说明更加明了。
图1A、图1B为旋转椭圆面镜产生的聚光模式图。
图2A、图2B、图2C为旋转椭圆面镜的形状图。
图3为本发明的非轴对称非球面镜的加工工序图。
图4为适用本发明的磨削加工装置的结构图。
图5A、图5B为本发明的磨削加工方法中砂轮和工件的关系图。
图6为表示本发明的实施例所产生的形状误差的视图。
以下，根据附图对本发明的最佳实施形式加以说明。另外，各图中，对共同的部分赋予相同的符号，省略其重复说明。
图3为本发明的非轴对称非球面镜的加工工序图。如图所示，为了加工非轴对称非球面镜，必须要有准备材料、磨削工序和研磨工序。另外，在以下的实施形式中，是以非轴对称非球面镜为例进行说明的，但本发明并不仅限于此，也适用于具有包含旋转抛物面、旋转双曲面在内的公知的非轴对称非球面的反射镜。
图3中，在准备材料中，准备CVD-SiC等陶瓷、石英玻璃等光学玻璃、单结晶硅等作为非轴对称非球面镜的材料。对这种材料预先进行必要的基准面加工。
磨削工序在本发明中是边进行机上测量(工件安装在装置上的状态下的测量)边进行粗磨削、中间磨削、精磨削。磨削后的测量评价是与机上测量一起，采用三维数字转换器等进行磨削后的形状再测量并进行必要的评价的。
研磨工序是为了使反射面的表面粗度为优良的镜面而进行粗研磨、中间研磨、精研磨。根据研磨后的测量评价，对研磨后的形状和表面粗度进行再测量并进行评价。然后，根据需要进行修正抛光，制成最终产品(非轴对称非球面镜)。
本发明的方法涉及上述的准备材料和磨削工序。
图4为适用本发明的方法的磨削加工装置的结构图。如图所示，这种磨削加工装置具有电解在线修整装置10，旋转式工具12，形状测量装置14和数值控制装置16。
电解在线修整装置10(以下称为FLID磨削装置)由以下部件构成通过图中未示出的驱动装置以轴心Y(本例中为垂直轴)为中心旋转驱动的圆板状金属结合剂砂轮2，距该砂轮有微小间隔地相对向的电极4，将导电性液体流入到砂轮2和电极4中间的喷嘴6，在砂轮2和电极4之间外加电压的外加装置8。而且，金属结合剂砂轮2在其外缘上具有半径为R的圆弧面2a。
根据这种结构，可一边通过电解对砂轮2进行修整一边磨削被加工物1。而且，这种ELID磨削装置10即使将磨粒做得很细也不会象通常的磨削那样产生砂轮的孔眼堵塞，能够以高效率进行高精度的加工。
旋转式工具12是通过图中未示出的驱动装置以与砂轮2的旋转轴Y垂直的X轴(本图中为水平轴)为中心旋转驱动的。旋转式工具12例如是圆筒形的金刚石砂轮，通过使其外周面和砂轮2相接触，可对砂轮2的圆弧面2a进行精修。
形状测量装置14在本例中为激光式形状测量装置，但也可以是接触式形状测量装置。通过采用激光式形状测量装置，能够从离开的位置在机上高精度地测量砂轮的圆弧面形状和被加工物的加工面形状。而且，通过采用接触式形状测量装置，能够在恶劣的条件下可靠地进行机上测量。
图4中，形状测量装置14由加工面测定用和砂轮面测定用的两台激光式形状测量装置14a、14b构成。加工面测定用的形状测量装置14a为了能够与砂轮2一起移动而安装在砂轮中图中未示出的驱动头上。而且，砂轮面测定用的形状测量装置14b是与被加工物1同样地固定的。根据这种结构，通过使加工面测定用的形状测量装置14a与砂轮一起移动，能够在机上测量砂轮2的圆弧面形状和被加工物1的加工面形状。
数值控制装置16对砂轮2进行数值控制，使其向X、Y、Z的三轴方向移动，进行砂轮2和工具12的接触产生的精修、砂轮2和被加工物1的接触产生的磨削加工和形状测量装置14的机上测量。
另外，在本发明的方法中，如图4所示，被加工物1是加工面相对于金属结合剂砂轮2的旋转轴Y倾斜30度以上60度以内(例如45度)地固定在机上的，为了能够对成为目标的非轴对称非球面进行加工，即使圆板状的砂轮直径远小于非轴对称非球面的最小曲率，也可以避免被加工物1和砂轮旋转轴的干涉，从而不必增加金属结合剂砂轮2的旋转轴长度，因此，将其位移抑制在最小，维持高加工精度。
而且，在本发明的方法中，如图4中的两箭头所示，相对于被加工物1的加工面，砂轮2沿其旋转轴Y的方向相对高速地进给，同时沿与其垂直的X方向相对低速地移动，进行磨削加工，防止砂轮表面的微细凹凸复制到被加工物1的加工面上，获得表面粗度优良的加工面。
图5A、图5B为本发明的磨削加工方法中砂轮和工件的关系图。在该图中，图5A为从砂轮2的旋转轴Y的方向所视的图，图5B为其A-A剖视图。
当砂轮的旋转面和加工面的法线的夹角为α,Z轴和加工面的法线的法线的夹角为β时，加工面形状的法线矢量由式(1)所示，式(2)表示工具的相对位置矢量。
另外，加工面的设计形状(例如旋转椭圆面镜)为式(3)时，可求出式(4)、式(5)。
数1
z=f(x.y)…(3) α=tan-1(-∂f∂y1+(∂f∂x)2),β=tan-1(-∂f∂x)···(5)]]>因此，通过采用式(1)～(5)计算出数值控制中的NC轨迹，即使金属结合剂砂轮2的圆弧面2a的半径R变化，也能够正确地对加工面进行加工。
实施例采用上述的磨削加工装置实施了本发明的方法。表1为其加工条件。
表1
图6为表示该实施例产生的形状误差。该图中，横轴表示被加工物1的X轴方向的位置，纵轴的■和◆为以右侧的标尺表示理想形状和测定形状，▲为以左侧的标尺表示误差(=理想形状-测定形状)。
从该图可知，理想形状和测定形状几乎完全一致，其误差在±0.3μm以内，可将非轴对称非球面镜的反射面的形状精度加工到所使用的光的波长λ的四分之一以下(例如0.3μm以下)。
而且，对于反射面的表面粗度，由于采用了ELID磨削装置10，即使磨粒很细也不会象通常的磨削那样产生砂轮的孔眼堵塞，能够高效率地进行高精度的加工，可获得优良的镜面。
根据上述的本发明的方法，通过数值控制装置16使砂轮向三轴方向移动，能够通过旋转式工具12正确地对砂轮外缘半径为R的圆弧面2a进行精修。而且，通过一边由电解修整将砂轮表面的磨粒中金属结合剂材料除去一边进行磨削的电解在线修整装置10，即使磨粒较细，也不会象通常的磨削那样产生砂轮的孔眼堵塞，能够高效率地进行高精度加工。另外，由于通过形状测量装置14机上测量精修后的砂轮的圆弧面形状和磨削加工后的被加工物1的加工面形状，根据其测量数据对加工数据进行补正，可进行再加工，从而能够高精度地加工出修正了砂轮的磨损和加工误差的所希望的形状。
而且，根据本发明的方法，电解在线修整装置10在同一装置内具备旋转式工具12和形状测量装置14，被加工物安装在共同的安装装置上，所以不必将被加工物从安装装置上卸下即可重复进行加工和测量，能够从根本上避免光学器件的基准面再加工或再安装所产生的基准面偏离。
如上所述，本发明的非轴对称非球面镜的磨削加工方法具有能够在短时间内高精度地制作具有高形状精度和表面粗度、可正确地反射或吸收光的非轴对称非球面镜等的良好效果。
另外，本发明并不仅限于上述的实施形式，自然可在不脱离本发明的主旨的范围内进行各种变更。
权利要求
1．一种非轴对称非球面镜的磨削加工方法，其特征在于，具备由以轴心Y为中心旋转、在其外缘上具有半径为R的圆弧面(2a)的圆板状金属结合剂砂轮(2)，与该砂轮隔以间隔、相对向的电极(4)，将导电性液体流入砂轮和电极之间的喷嘴(6)以及在砂轮和电极之间外加电压的外加装置(8)构成，通过电解对砂轮进行修整，同时对被加工物(1)进行磨削加工的电解在线修整装置(10)；以与上述旋转轴Y垂直的X轴为中心旋转、对上述圆弧面进行精修的旋转式工具(12)，在机上测量上述砂轮的圆弧面形状和被加工物(1)的加工面形状的形状测量装置(14)以及沿X、Y、Z三轴方向对上述砂轮进行数值控制的数值控制装置(16)；通过数值控制装置(16)使砂轮向三轴方向移动，重复进行精修、磨削加工和机上测量。
2．根据权利要求1所述的非轴对称非球面镜的磨削加工方法，其特征在于，被加工物(1)是加工面相对于金属结合剂砂轮(2)的旋转轴Y倾斜30度以上60度以内固定在机上的。
3．根据权利要求2所述的非轴对称非球面镜的磨削加工方法，其特征在于，相对于被加工物(1)的加工面，上述砂轮一边沿其旋转轴Y的方向相对高速地进给，一边沿与其垂直的X方向相对低速地移动，进行磨削加工。
4．根据权利要求3所述的非轴对称非球面镜的磨削加工方法，其特征在于，上述形状测量装置采用激光式形状测量装置或接触式形状测量装置。
全文摘要
一种非轴对称非球面镜的磨削加工方法,具备:具有金属结合剂砂轮2的电解在线修整装置10,旋转式工具12,在机上进行测量的形状测量装置14以及沿X、Y、Z三轴方向对砂轮进行数值控制的数值控制装置16;通过数值控制装置16使砂轮向三轴方向移动,重复进行修整、磨削加工和机上测量。因此,能够在短时间内高精地制作具有高形状精度和优良的表面粗度,可正确地反射或吸收光的非轴对称非球面镜。
文档编号B24B49/04GK1311079SQ0111094
公开日2001年9月5日 申请日期2001年3月5日 优先权日2000年3月3日
发明者大森整, 山形丰, 守安精, 森田晋也, 加田胜彦, 吉良英隆, 笹井浩行, 川田胜 申请人:理化学研究所, 株式会社岛津制作所