小口径角锥棱镜光学加工方法与流程

本发明属于光学零件精密加工技术领域，具体涉及一种小口径角锥棱镜光学加工方法。

背景技术：

角锥棱镜是由三个相互垂直的工作面组成的四面体，其中三个相互垂直的工作面（也称为反射面）具有等腰三角形的特性，而底面是一个等边三角形的工作面（入射面），具有入射光线和反射光线的作用。它是依据临界角原理制造的内部全反射棱镜。角锥棱镜的重要特性是无论入射光线从底工作面，以任意方向进入角锥棱镜的光线，经过三个相互垂直工作面依次反射之后，仍从底工作面射出时，出射光线方向与入射光线方向始终保持平行，即出射光线相对于入射光线旋转180°。由于角锥棱镜具有上述的定向反射特性，可以显著的增加作用距离和提高测距精度。因此在激光测距仪、激光干涉仪、波长计和激光器的谐振腔中被广泛采用。应用于激光器的制造、激光照射和激光测距、测绘和建筑等技术领域。

为了提高角锥棱镜反射光的能量，以增大测距仪的测量距离和准确度，对角锥棱镜的技术要求很高。即入射光线与出射光线的偏离角误差要求为，三个工作面的平面度要求为n=0.25牛顿环（光圈）。要满足的技术要求，则在加工角锥棱镜三个相互垂直工作面的直角误差应分别满足，即三个直角之间的误差分别满足。角锥棱镜按照入射面的最大内切圆直径分为大小口径两种类型。入射面小于φ40mm称为小口径角锥棱镜，入射面大于φ40mm的称为大口径角锥棱镜。而对于入射面为φ18mm和入射面到角锥顶角的高度为15mm的口径的角锥棱镜更是一种高精度棱镜，测量精度高，具有加工难度就更大的特点。

角锥棱镜的加工方法目前有以下几种：

1、在抛光机上使用分离器，将一个等边长的立方体进行研磨和抛光加工，使对角两组角锥三个工作面的垂直度和平面度满足技术要求，然后进行角锥成型切割，再次在抛光机上使用分离器对入射面进行研磨和抛光加工，使角锥棱镜的入射面与角锥棱镜的工作面的夹角和入射面的平面度满足技术要求。切割中容易造成已合格的工作面产生缺陷，影响零件质量。

2、将已切割成型的角锥棱镜的工作面放入分离器中进行研磨和抛光加工，使用15″单管测角仪进行比较测量，针对角锥棱镜12的角度误差和入射面与工作面的夹角误差。在分离器上使用对待加工工作面安装配重块的方式，进行修正入射面与工作面的夹角误差和三个工作面的角度误差以满足技术要求。存在加工时间长，合格率低的缺陷。

3、对于小口径角锥棱镜采取增大棱镜的高度，以获取棱镜的大质量，方便在分离器上使用1.2所述的方法进行加工，然后再进行角锥成型切割，再次在抛光机上使用分离器进行研磨和抛光加工，使角锥棱镜的入射面与角锥棱镜的工作面的夹角和入射面的平面度满足技术要求。存在浪费材料和加重企业生产成本的缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种小口径角锥棱镜光学加工方法，该方法高效、快速且节约材料。

本发明提供的技术方案如下：

小口径角锥棱镜光学加工方法，包括以下步骤：

步骤1）制作石膏胶盘：将多个角锥棱镜毛坯的任意一个工作面贴置在贴置膜上，毛坯相互之间的间隙为2-4mm，在间隙之间撒上0.5-1mm厚的锯末或已融化的白蜡，然后用铝制外圈把贴置模围上，并用锁紧装置固定形成圆柱形容器，再用石膏、水泥和水的混合体倒入圆柱形容器，并在中央处嵌入铝胶模，凝固后将角锥棱镜毛坯固定形成石膏胶盘；

步骤2）第一个工作面加工：将沥青抛光模安装在平面研磨机上，然后将石膏胶盘清洁后放置在沥青抛光模上，分别用不同牌号的金刚砂在平面研磨机上对角锥棱镜进行第一工作面研磨和抛光；

步骤3）制作角锥棱镜加工基准工装：制作三块平板玻璃光胶板，三块平板玻璃光胶板分别为玻璃平板、玻璃条和翻转长方体，将两两光胶后作为小口径角锥棱镜第二、三工作面的加工基准工装，并将其中一块的三侧边涂保护漆；

步骤4）第二、三工作面加工：将已加工的第一工作面光胶在加工基准工装上没有涂保护漆的一边，第二、三工作面分别与平板玻璃和玻璃条紧密接触，将光胶好的角锥棱镜与翻转长方体组件均匀、对称地光胶到光胶垫板上，然后将已制备完成的沥青抛光模安装在平面研磨机上，把光胶板和待加工的角锥棱镜的组合体放置在沥青抛光模上，分别用不同牌号的金刚砂，在平面研磨机上对角锥棱镜进行第二、三工作面研磨和抛光，之后涂上保护漆；

步骤5）在单轴机上安装研磨模修改角锥棱镜入射面与三个工作面的夹角为54°44′24″，对角锥棱镜的入射面进行光学工艺加工，并涂上保护漆，完成小口径角锥棱镜的光学加工。

四个面上分别涂上保护漆前，还包括对小口径角锥棱镜的误差测量和修磨。

所述小口径角锥棱镜的误差测量包括直角误差测量和入射面检测，所述直角误差测量采用泰曼干涉仪，将角锥棱镜放置在测量工装上，通过观察光圈，如弯曲方向与收缩方向一致，则合格；用测角仪光管检测入射面与三个工作面的夹角为54°44′24″，则合格。

小口径角锥棱镜12的直角误差的修磨过程如下：

（1）制作一块立方体光胶板、一块平板玻璃和九块小平行平面玻璃，通过光学抛光的方法使九块小平行平面玻璃的上下工作面的平面度≤0.2μm，将其均分在立方体光胶板，九块小平行平面玻璃之间有凹槽；

（2）将检测不合格的小口径角锥棱镜光胶在修磨工装的四个边上，角锥棱镜的入射面面与玻璃平板紧密接触，然后将沥青抛光模安装在平面研磨机上，将光胶板和待修磨的角锥棱镜的组合体放置在沥青抛光模上，分别用不同牌号的金刚砂，在平面研磨机上对角锥棱镜进行各个工作面研磨和抛光，使三个相互垂直工作面的直角误差应分别满足。

石膏和水泥质量比为4:1-3:1，水与石膏和水泥混合物的质量比为1:2。

石膏胶盘的形成具体过程为：

将石膏、水泥和水的混合体倒入圆柱形容器后，在中央处嵌入铝胶模，铝胶模与容器平齐，将其放置4-8小时，待石膏水泥调制物凝固后，打开锁紧装置，取下铝制外圈，用毛刷扫去多锥棱镜毛坯之间的锯末或用竹签把白蜡挑下来，再用竹签把角锥棱镜毛坯之间的部分石膏去除掉，使角锥棱镜毛坯高出石膏1-1.5mm，并用毛刷清除干净角锥棱镜毛坯表面，把融化的黄蜡涂与角锥棱镜毛坯之间和石膏所有表面，用刀片把角锥棱镜毛坯上的黄蜡刮去，使黄蜡低于零件表面，并用布子沾汽油擦拭干净。

不同牌号的金刚砂分别为w28、w14和w7。

所述玻璃平板、玻璃条和翻转长方体均上下表面的平行度≤2″，面度达到n=0.5光圈，光胶板四侧面与上下表面的夹角为。

平面研磨机的主轴转速为20r/min，压力0.5bar，磨盘在下，镜盘在上，每分钟摆动35次，用抛光液作冷却液；抛光时，操作间的温度控制在22℃-26℃，湿度控制在55%-65%。

本发明的有益效果是：

第一工作面和第二、三工作面分别使用石膏胶盘法和光胶零件法进行加工，增大待加工工作面的面积，方法简单、可靠，省时省力，避免在加工小口径角锥棱镜浪费的现象，节约了成本，提高了劳动效率，经济效率高回报快。

下面将结合附图做进一步详细说明。

附图说明

图1是贴置膜的结构示意图；

图2是铝制外圈的结构示意图；

图3是石膏胶盘的结构示意图；

图4是角锥棱镜毛坯与翻转长方体光胶示意图；

图5是翻转长方体上盘示意图；

图6是直角误差测量示意图；

图7是合格品干涉条纹示意图；

图8是修磨工装示意图；

图9是不合格角锥棱镜返修上光胶合盘剖视图。

图中：1、贴置膜；2、角锥棱镜毛坯；3、锯末；4、铝制外圈；5、石膏水泥调制物；6、铝胶模；7、玻璃平板；8、玻璃条；9、翻转长方体；10、光胶垫板；11、干涉仪；12、角锥棱镜；13、测量工装；14、立方体光胶板；15、平板玻璃；16、小平行平面玻璃；17、辅助玻璃片；18、锁紧装置。

具体实施方式

实施例1：

本实施例提供了一种小口径角锥棱镜光学加工方法，包括以下步骤：

步骤1）制作石膏胶盘：将多个角锥棱镜毛坯2的任意一个工作面贴置在贴置膜1上，毛坯相互之间的间隙为2-4mm，在间隙之间撒上0.5-1mm厚的锯末3或已融化的白蜡，然后用铝制外圈4把贴置模围上，并用锁紧装置18固定形成圆柱形容器，再用石膏、水泥和水的混合体倒入圆柱形容器，并在中央处嵌入铝胶模6，凝固后将角锥棱镜毛坯2固定形成石膏胶盘；贴置膜1如图1所示，铝制外圈4如图2所示；

步骤2）第一个工作面加工：将沥青抛光模安装在平面研磨机上，然后将石膏胶盘清洁后放置在沥青抛光模上，分别用不同牌号的金刚砂在平面研磨机上对角锥棱镜12进行第一工作面研磨和抛光；

步骤3）制作角锥棱镜12加工基准工装：制作三块平板玻璃光胶板，三块平板玻璃光胶板分别为玻璃平板7、玻璃条8和翻转长方体9，将两两光胶后作为小口径角锥棱镜12第二、三工作面的加工基准工装，并将其中一块的三侧边涂保护漆；

步骤4）第二、三工作面加工：将已加工的第一工作面光胶在加工基准工装上没有涂保护漆的一边，第二、三工作面分别与平板玻璃15和玻璃条8紧密接触，将光胶好的角锥棱镜12与翻转长方体9组件均匀、对称地光胶到光胶垫板10上，然后将已制备完成的沥青抛光模安装在平面研磨机上，把光胶板和待加工的角锥棱镜12的组合体放置在沥青抛光模上，分别用不同牌号的金刚砂，在平面研磨机上对角锥棱镜12进行第二、三工作面研磨和抛光，之后涂上保护漆；

步骤5）在单轴机上安装研磨模修改角锥棱镜入射面与三个工作面的夹角为54°44′24″，对角锥棱镜12的入射面进行光学工艺加工，并涂上保护漆，完成小口径角锥棱镜12的光学加工。

第一工作面和第二、三工作面分别使用石膏胶盘法和光胶零件法进行加工，方法简单、可靠，省时省力，避免在加工小口径角锥棱镜12浪费的现象。

实施例2：

在实施例1的基础上，本实施例提供了一种小口径角锥棱镜光学加工方法，石膏胶盘如图3所示，石膏胶盘的形成具体过程为：

将石膏、水泥和水的混合体倒入圆柱形容器后，在中央处嵌入铝胶模6，铝胶模6与容器平齐，将其放置4-8小时，待石膏水泥调制物5凝固后，打开锁紧装置18，取下铝制外圈4，用毛刷扫去多锥棱镜毛坯之间的锯末3或用竹签把白蜡挑下来，再用竹签把角锥棱镜毛坯2（零件）之间的部分石膏去除掉，使角锥棱镜毛坯2高出石膏1-1.5mm，并用毛刷清除干净角锥棱镜毛坯2表面，把融化的黄蜡涂与角锥棱镜毛坯2之间和石膏所有表面，用刀片把角锥棱镜毛坯2上的黄蜡刮去，使黄蜡低于零件表面，并用布子沾汽油擦拭干净。

石膏和水泥质量比为4:1-3:1，水与石膏和水泥混合物的质量比为1:2。

将沥青抛光模安装在平面研磨机上，将已清洁的石膏胶盘放置在沥青抛光模上，主轴转速为20r/min，压力0.5bar，磨盘在下，镜盘在上，每分钟摆动35次，用抛光液作冷却液。抛光时，操作间的温度控制在22℃-26℃，湿度控制在55%-65%为宜。（其他各面的加工条件均按此控制）

分别用w28、w14、w7牌号的金刚砂（棕刚玉）在平面研磨机上依次对角锥棱镜毛坯2进行研磨和抛光，清洗干净后。用干涉仪11检测棱镜的平面度光圈达到n=0.25牛顿环，用放大镜检测表面疵病，满足技术要求后，在加工零件表面涂上保护漆。把加工好的零件从石膏胶盘内取出，并分别用汽油和酒精清洗干净。

角锥棱镜12第二、三工作面的加工方法：

玻璃平板7的尺寸为(140×140×30)mm、玻璃条8尺寸为(40×20×20)mm、翻转长方体9的尺寸为(30×30×20)mm。技术要求上表面是测量基准，下表面与四个侧面（光胶面）是工艺基准，上下表面的平行度≤2″，通过光学抛光的方法使工作面的平面度达到n=0.5光圈，光胶板四侧面与上下表面的夹角为。

将平板玻璃15和玻璃条8光胶后，作为小口径角锥棱镜12第二、三工作面的加工基准工装，对其中一块的三边涂保护漆固定方便以后的使用。将角锥棱镜12快速和方便的光胶在基准工装没有涂保护漆的一边上。而且光胶的数量可以达到一次研磨加工40块。

具体的操作方法是：用无水乙醇擦净零件、翻转长方体9和玻璃平板7的光胶面，用松鼠毛刷掸去灰尘。先在玻璃平板7上光胶玻璃条8，再将翻转长方体9放在平板玻璃15上，使将要研磨的两个面，一个紧密接触平板玻璃15，一个紧密接触玻璃条8。如图4所示。

将零件放在玻璃平板7上并轻轻来回移动，使其待加工的第二面和第三面与玻璃平板7和玻璃条8有着良好的接触。零件与翻转长方体9需要光胶的两个面接触后能看到清晰的光圈时，方可适当用力挤压零件与翻转长方体9，排除空气，达到两者的完美胶合，形成光胶上盘。

用刀口尺检查零件待加工面与翻转长方体9的平面度。检查时，允许中间或边部有微弱透光，但不能有错扭或较大的缝隙，否则须重新光胶。用相同方法在翻转长方体9的另一侧光胶另一个角锥棱镜12。光胶合格后，在光胶面周围缝隙处涂上保护漆（如虫胶漆或沥青漆等）。

将胶好的零件与翻转长方体9组件均匀、对称地光胶到已制备的光胶垫板10上形成光胶胶盘，并在光胶垫板10周围涂上保护漆，以防止在加工过程中渗水脱胶。如图5所示。

采用第一工作面的加工条件，将沥青抛光模安装在研磨机上，将已清洁的光胶胶盘放置在抛光模上，分别用w28、w14、w7牌号的金刚砂（棕刚玉）在平面研磨机上依次对角锥棱镜12进行研磨和抛光。并用千分表测量控制镜盘表面和光胶垫板10表面平行差小于0.0005mm，把镜盘清洗干净，用干涉仪11检测棱镜的平面度n=0.25牛顿环，用放大镜检测表面疵病，满足技术要求后，在加工零件表面涂上保护漆。用木榔头把零件和翻转长方体9组件从光胶垫板10上敲下，用脱脂棉沾酒精擦拭翻转长方体9另一基准面和光胶垫板10表面。

实施例3：

在实施例1的基础上，本实施例提供了一种小口径角锥棱镜光学加工方法，四个面上分别涂上保护漆前，还包括对小口径角锥棱镜12的误差测量和修磨。

所述小口径角锥棱镜12的误差测量包括直角误差测量和入射面检测，所述直角误差测量采用泰曼干涉仪11，将角锥棱镜12放置在测量工装13上，通过观察光圈，如弯曲方向与收缩方向一致，则合格；用测角仪光管检测入射面与三个工作面的夹角为54°44′24″，则合格。

用泰曼干涉仪11检测锥体棱镜直角误差：

设计和制作一个角度为20.4°的专用测量工装13（见图6），测量锥体棱镜，其中一个直角的角度误差的方法，若存在角度误差，使用（式中，m为干涉视场上半部条纹垂直被测角棱线时，其延长线截过下半部视场中斜条纹的数目）计算得到的一个准确的角度误差。

在满足图7所示的干涉条纹时，表明被测直角是准确的，误差趋近于零。用干涉条纹分辨锥体棱镜各直角误差的方法，同观看光圈一样，若弯曲方向与收缩方向一致，其单角角度误差为小，反之，角度误差大。

角锥棱镜12误差的修正：

首先制作一块尺寸为(140×140×30)mm立方体光胶板14，上表面是测量基准，下表面与四个侧面（光胶面）是工艺基准，上下表面的平行度≤1″，将他们通过光学抛光的方法使工作面的平面度达到n=0.5光圈，立方体的四侧面与上下表面的夹角为。且误差角度为同偏大或同偏小。

制作一块尺寸为(140×60×15)mm平板玻璃15，上表面是测量基准，下表面与四个侧面（光胶面）是工艺基准，将他们通过光学抛光的方法使工作面的平面度达到n=0.5光圈。

制作九块小平行平面玻璃16（40×40×2）。通过光学抛光的方法使上下工作面的平面度≤0.2μm，将其均分在已加工好的尺寸为(140×140×30)mm立方体光胶板14形成对角锥棱镜12的修磨工装，如图8所示。在四周涂保护漆，每块小平行平面玻璃16之间的凹槽在光学加工中起到散热作用和方便研磨液的流动，达到抛光作用。

见图9，将检测不合格的角锥棱镜光胶在立方体光胶板14上（光胶时有辅助玻璃片17），角锥棱镜12的另一个面与玻璃平板7紧密接触，并出现干涉条纹，干涉条纹与立方体棱线平行。角锥棱镜12光胶好后，除加工面外，其余涂上保护漆。

将ф250mm沥青抛光模安装在研磨机上，将图9所示的光胶好的立方体光胶板14放置在抛光模上直接抛光，并在抛光中用千分表测量控制镜盘表面和光胶垫板10表面平行差小于0.0005mm，并用干涉仪11检测棱镜的平面度n=0.25牛顿环，用放大镜检测零件表面无疵病，满足零件加工技术条件后，用木榔头把零件敲下，用脱脂棉沾酒精将零件擦洗干净，在用泰曼干涉仪11检测角锥棱镜12直角误差，使三个工作面的平面度满足n=0.25牛顿环（光圈）。则满足的技术要求，即待加工角锥棱镜12三个相互垂直工作面的直角误差应分别满足或。

采用本实施例方法，角锥棱镜12待研磨加工的三个反射工作面两两相互垂直，入射工作面与三个反射工作面的夹角是54°44′24″。工作面到角锥棱镜12的顶点为15mm，入射面小于φ40mm小口径角锥棱镜12，若使用背景技术中提到的三种加工方法，存在极大的浪费现象，存在加工时间长，合格率低的缺陷。

本发明应用平板玻璃15与角锥棱镜12的光胶胶合，增大待加工工作面的面积，方便角锥棱镜12工作面的加工和抛光，并实现在平板玻璃15上光胶多块角锥棱镜12，达到提高生产效率的目的。具有提高功效，节约成本和合格率高的优点。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。