基于激光共焦干涉测量的球面光学元件无样板加工方法与流程

本发明涉及一种球面光学元件无样板加工方法，特别涉及一种高精度抗散射光学元件曲率半径及表面面型检测手段，属于光学设备加工制备领域。

技术背景

球面光学元件是光学系统中最重要的组成部分。几百年来，工程及科研人员对球面光学元件加工工艺的改进都是围绕着如何提高加工精度进行的，在加工工序方面并没有重大的突破。

传统的加工工艺如图1所示，包括以下步骤：

(1)铣磨：用铣刀在毛坯表面加工出大致的球面形状；

(2)精磨：通过精磨来修改球面的曲率半径；

(3)抛光：通过抛光来去除铣磨和精磨在样品表面留下的毛刺，达粗糙度降低以到下一步样板法检测曲率半径的要求；

(4)样板法测曲率半径：利用提前制备好具有特定曲率半径的标准样板来检测样品的曲率半径，将样品与样板贴合，通过判读条纹数量来判断曲率半径是否合格，若不合格，则重复精磨-抛光-检测过程直至曲率半径合格；

(5)精抛光：通过精抛光来修改样品的表面面型；

(6)干涉仪面形检测：利用干涉仪测量样品表面面型是否合格，若不合格则重复精抛光-检测过程直至面型合格，加工完成。

除此之外，还需要提前制备要求曲率半径的标准光学样板。

上述现有工艺还存在以下不足之处：

1)为满足曲率半径要求需要反复抛光：样板法测曲率半径要求被测镜必须抛光，若曲率半径检测不合格则重复精磨-抛光-检测，直至曲率半径合格为止，工件需要反复抛光，极大地制约了检测及加工效率的提高。

2)必须提前制作特定曲率半径的标准光学样板：标准光学样板对于曲率半径及面型精度要求极高，故其加工时间长，成本高；且实物样板的设计和使用只针对单一曲率半径，无法实现连续范围曲率半径的测量，为光学元件的设计和加工带来了局限。

3)检测精度低导致加工精度低。样板法测量曲率半径的精度取决于样板本身的精度，并且受检测人员的经验等因素的制约，精度较低。直接决定了加工精度无法进一步提高。

针对上述问题，本发明提出一种球面光学元件无样板小批量快速加工工艺方法。该工艺利用激光共焦干涉测量仪的抗散射特性，对表面未抛光的样品直接进行曲率半径检测，检测精度高，省去了反复抛光的环节；并且将激光差动共焦干涉测量仪作为“虚拟样板”，省去了制作实物样板的制作，对于不同曲率半径的样品均可通用；曲率半径检测精度高于传统样板法，从原理上提高了加工精度。本方法具有高精度、高效率、成本低的优点，适合低成本、小批量快速加工。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决传统球面透镜加工工艺反复抛光效率低下、必须提前制造对应曲率半径标准样板、检测加工精度低等难题，提出了一种无样板的球面光学元件加工工艺。该工艺简化了加工步骤，节省加工时间，降低了生产成本，提高了加工精度。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的基于激光共焦干涉测量的球面光学元件无样板加工方法，包括以下步骤：

1)铣磨原料，在其表面切削出大致的球面形状；

2)将铣磨后的元件进行精磨，保证表面粗糙度，并使球面曲率半径接近要求指标；

3)利用激光共焦干涉测量仪对精磨后元件的曲率半径进行检测，若检测结果合格则进行步骤4，否则重复步骤2直至结果合格；

4)对曲率半径合格的元件进行面型抛光；

5)利用共焦干涉测量仪对抛光元件进行面型检测，若检测结果合格则加工完成，否则重复步骤4直至加工完成。

进一步的，所述步骤3)中使用激光共焦干涉测量仪作为曲率半径检测的“虚拟样板”，省去标准光学样板。

进一步的，所述步骤3)中使用激光共焦干涉测量仪对非抛光样品进行测量，省去样品反复抛光的步骤。

进一步的，所述步骤3)中激光共焦干涉测量仪具有可测-r～+r范围曲率半径的测量功能及干涉面型测量功能。

进一步的，所述步骤3)及步骤5)中的激光共焦干涉测量仪还包括激光差动共焦干涉测量仪。

有益效果

1.本发明使用激光共焦干涉测量仪作为“虚拟样板”对样品的曲率半径进行检测，省去了实物样板，既免除了制作标准样板的一系列工序，降低了加工成本，又提高了加工效率；

2.本发明中的激光共焦干涉测量仪具有一定的抗散射能力，可以对未抛光的光学样品直接测量。省去了曲率半径检测过程中反复抛光的过程，极大地提高了加工效率；

3.本发明中的激光共焦干涉测量仪测量曲率半径的精度高于样板法，在原理上提高了球面光学元件的加工精度。

附图说明

图1为传统光学球面元件加工方法流程图；

图2是本发明加工方法流程图；

图3是激光共焦干涉测量仪原理图；

图4是激光差动共焦干涉测量仪原理图；

其中：1-点光源、2-分束镜、3-准直镜、4-参考镜、5-猫眼位置、6-共焦位置、7-分光棱镜、8-共焦探测器、9-成像透镜、10-干涉ccd、11-差动分光棱镜、12-第一差动共焦探测器、13-第二差动共焦探测器、14-猫眼位置共焦光强曲线、15-共焦位置共焦光强曲线、16-猫眼位置差动共焦光强曲线、17-共焦位置差动共焦光强曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明的基本思想是：采用激光共焦干涉测量仪对非抛光球面进行曲率半径检测，省去标准样板制作及加工元件反复抛光的过程，最大限度地简化加工工艺，实现了球面光学元件的无样板、快速加工。

实施例1

如图2所示，本实施例公开了一种基于激光共焦干涉测量的球面光学元件无样板加工方法，包括以下步骤：

步骤1：将原料在铣床上进行铣磨，使原料表面切削出大致的球面形状；

步骤2：将步骤1铣磨后的元件在精磨机上进行精磨，保证表面粗糙度，并使球面曲率半径接近要求指标；

步骤3：利用激光共焦干涉测量仪对步骤2精磨后样品的曲率半径进行检测，若检测结果合格则进行步骤4，否则重复步骤2直至结果合格；

步骤4：利用抛光机对曲率半径合格的样品进行面型抛光；

步骤5：利用共焦干涉测量仪对抛光样品进行面型检测，若检测结果合格则加工完成，否则重复步骤4直至加工完成。

如图3所示为激光共焦干涉仪测量曲率半径及面型的原理：由点光源1发出的球面波经过分束镜2、准直镜3之后变成平行光，经标准镜4会聚，将被测样品先后放置在猫眼位置5和共焦位置6进行扫描，其反射光经分束镜2反射，分光棱镜7透射进入共焦探测器8，根据其采集到的猫眼位置共焦光强曲线14及共焦位置共焦光强曲线15可进行精确定焦，猫眼位置5和共焦位置6之间的距离即所测曲率半径；

当样品在共焦位置6时，从样品表面反射的光和从参考镜4反射的光发生干涉，经分束镜2和分光棱镜7反射，经成像透镜9变为平行光，干涉条纹被ccd10采集，从干涉图中可求解出样品的面型。

实施例2

当采用激光差动共焦干涉测量仪对加工元件的曲率半径和面型进行测量时，其测量步骤是：

步骤1：将原料在铣床上进行铣磨，使原料表面切削出大致的球面形状；

步骤2：将步骤1铣磨后的元件在精磨机上进行精磨，保证表面粗糙度，并使球面曲率半径接近要求指标；

步骤3：利用激光差动共焦干涉测量仪对步骤2精磨后样品的曲率半径进行检测，若检测结果合格则进行步骤4，否则重复步骤2直至结果合格；

步骤4：利用抛光机对曲率半径合格的样品进行面型抛光；

步骤5：利用激光差动共焦干涉测量仪对抛光样品进行面型检测，若检测结果合格则加工完成，否则重复步骤4直至加工完成。

如图4所示为激光差动共焦干涉仪测量曲率半径及面型的原理：由点光源1发出的球面波经过分束镜2、准直镜3之后变成平行光，经标准镜4会聚，将被测样品先后放置在猫眼位置5和共焦位置6进行扫描，其反射光经分束镜2反射，分光棱镜7透射，差动分光棱镜11透射和反射后分别进入第一差动共焦探测器12和第二差动共焦探测器13，将第一差动共焦探测器12和第二差动共焦探测器13采集到的光强曲线进行相减可得到猫眼位置差动共焦光强曲线16和共焦位置差动共焦光强曲线17，二者过零点之间的距离即待测曲率半径；

当样品在共焦位置6时，从样品表面反射的光和从参考镜4反射的光发生干涉，经分束镜2和分光棱镜7反射，经成像透镜9变为平行光，干涉条纹被ccd10采集，从干涉图中可求解出样品的面型。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上进行的改动都是本发明的保护范围。