一种非旋转对称非球面的加工方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种非旋转对称非球面光学元件的磨加工方法，用于光学非对称非球 面元件的制造，属于光学加工领域。
【背景技术】
[0002] 在光学系统中引入非球面，可极大提高光学系统的成像质量和能量的传输效率。 现代光学系统中非球面的应用，可以针对系统像差的特殊设计特定的非球面，补偿系统像 差，提高系统成像质量，由于非球面的多自由度特性，通常可以在保证光学系统成像质量的 条件下，进一步减少光学系统中的元件数量，减小光学系统的尺寸，因此被越发广泛的应用 于医疗，军事，航天等领域。尤其非旋转对称非球面，在波前编码中应用更为突出，为达到景 深延拓的目的，非旋转对称非球面成为光学系统中最重要的元件之一。
[0003] 对于旋转对称非球面的加工非常困难，非回转对称非球面的不对称性更加增大了 抛光难度。传统加工非球面方式可以通过直接铣磨出非球面面形，而后通过后续抛光方法 制作非对称非球。然而这种方法有如下三点问题：1、一般铣磨机床没有铣磨非对称非球面 的加工程序，加工程序需要自己编写，较为复杂;2、由于采用单点方式铣磨，会出现栅格状 刀花，后续抛光中很难进行修正并且需要去除的亚表面损伤层较大，大大提高了时间成本 和机床损耗;3、由于直接开形成非对称非球面抛光过程无法进行传统沥青加工，因而中频 误差较高。
【发明内容】
[0004] 本发明的为了解决一般非对称加工方法带来的高低效率，高中频误差，低面形质 量的问题，提出的一种提高非旋转对称非球面制造水平并降低成本的加工方法。
[0005] 本发明的技术方案是：
[0006] -种非旋转对称非球面光学元件的加工方法，其特征是，根据非旋转对称非球面 方程：
[0007]
⑴
[0008] 其中，c为顶点球曲率，k为二次项系数，β为非对称项系数；
[0009] 将方程(1)可以改写为：
[0010]
⑵：
[0011 ]其中，ρ为拟合球曲率，F(x3，y3)为非非回转对称项；
[0012] 将方程(2)拆分为拟合球项和非对称项，该方法包括以下步骤：
[0013] 第一步，根据拟合球项利用铣磨开型加工出非旋转对称非球面的最佳拟合球面 形，然后通过气囊抛光去除铣磨过程中带来的亚表面损伤，再采用古典抛光对工件中频误 差进行修正达到对称面形；
[0014] 第二步，对第一步得到面形进行光学检测，在LUPhoScan检测得到的面形干涉图基 础上加入非回转对称项面形误差，通过气囊抛光的方式最终得到非旋转对称非球面面形。
[0015] 第一步中所述的最佳拟合球是过非旋转对称非球面X方向母线的端点和顶点的 球。
[0016] 本发明的有益效果是:通过上述分析可知，这种方法降低了加工和检测的难度，达 到易于加工的程度，大大提高了非回转对称非球面加工的可行性，并且由于引入古典抛光 从而提高了工件面形质量。通过合理利用现有成形加工技术，并进行适当的加工次序调整 提高了加工效率，节省了成本，并且在保证中频的前提下提高了低频误差的质量，从整体上 提高了非旋转对称非球面的加工质量。本发明可广泛适用于非旋转对称非球面光学元件的 制造领域。
【附图说明】
[0017] 图1本发明一种非旋转对称非球面面形干涉图示意图。
[0018] 图2本发明一种非球面非回转对称项面形干涉图示意图。
[0019] 图3本发明一种非球面与最佳拟合球面形差示意图。
【具体实施方式】
[0020] -种非旋转对称非球面光学元件的加工方法，依据非旋转对称非球面方程：
[0022] 六 τ 匕乂3叫、mj 千，〇[0023] 上述方程(1)可以改写为：
[0021] ⑴
[0024]
(2)
[0025]其中P为拟合球曲率，F(x3，y3)为非对称项；
[0026] 将方程(2)拆分成拟合球项和非对称项进行加工，该方法包括以下步骤:第一步， 加工非旋转对称非球面的拟合球部分，利用铣磨开型出非旋转对称非球面的最佳拟合球面 形，而后通过气囊抛光数控机床去除铣磨过程中带来的亚表面损伤，再采用古典抛光对工 件中频误差进行修正达到理想的对称面形，从而保证良好的中频误差。第二步，对第一步得 到面形进行光学检测，通过面形误差补偿的方式，在LUPhoScan检测得到的绝对误差图基础 上加入非回转对称项F(x 3，y3)，得到CC0S(Computer Controlled Optical Surfaceing，计 算机控制光学表面成形技术)可以加工的数据，再运用气囊抛光数控机床加工，得到最终非 旋转对称非球面面形。
[0027] 将过非旋转对称非球面X方向母线的端点和顶点的球定义为该非旋转对称非球面 的最佳拟合球。
[0028] 实施例：
[0029]对方程(1)的非旋转对称非球面进行了面形修正，具体参数如下表：
[00301
[0031] 非旋转对称非球面光学元件的加工分为两个部分，加工过程如下:第一步，将非回 转对称非球面按照方程(2)进行分解，分解后按照过非回转对称非球面X轴线两端点和定点 定义曲率半径，可以得到拟合球曲率半径p = 971.460mm。通过铣磨得到曲率半径为 971.460mm的球面，再经过气囊磨头(聚氨酯抛光膜)运用CC0S技术进行快速抛光，去除铣磨 导致的亚表面损伤层(~30μηι)，最后通过传统抛光去除中频误差，l-3mm高通滤波达到lnm 以下，拟合球面形如图1所示。
[0032] 第二步，将非旋转对称非球面方程与拟合球方程做差，得到非对称项方程F(x3， y3)，通过计算得到非对称项的三维矩阵数据，再通过LUPhoScan测量出最佳拟合球与非对 称项F(x3，y3)的面型误差数据，此时的面形如图2所示，将两者面形数据做差得到最终CC0S 系统可以读取的加工数据。通过气囊抛光进行面性修正得到最终非旋转对称非球面面形， 如图3所示，面形误差RMS小于1/30波长。
【主权项】
1. 一种非旋转对称非球面光学元件的加工方法，根据非旋转对称非球面方程：(1) 其中，C为顶点球曲率，k为二次项系数，β为非对称项系数； 将方程(1)可W改写为：(2) 其中，Ρ为拟合球曲率，F(x3，y3)为非非回转对称项； 将方程(2)拆分为拟合球项和非对称项，其特征是，该方法包括W下步骤： 第一步，根据拟合球项利用锐磨开型加工出非旋转对称非球面的最佳拟合球面形，然 后通过气囊抛光去除其锐磨过程中带来的亚表面损伤，再采用古典抛光对其中频误差进行 修正达到对称面形； 第二步，对第一步得到面形进行光学检测，在LU化oScan检测得到的面形干设图基础上 加入非回转对称项面形误差，通过气囊抛光的方式最终得到非旋转对称非球面面形。2. 根据权利要求1所述的一种非旋转对称非球面光学元件的加工方法，其特征是，第一 步中所述的最佳拟合球是过非旋转对称非球面X方向母线的端点和顶点的球。
【专利摘要】一种非旋转对称非球面加工方法，属于光学加工领域，为了解决一般非对称加工方法带来的高低效率，高中频误差，低面形质量的问题，第一步，加工非球面的拟合球部分，利用铣磨开型出非旋转对称非球面的最佳拟合球，而后通过气囊抛光去除铣磨过程中带来的亚表面损伤，再采用古典抛光对工件中频误差进行修正达到理想的对称面形；第二步，通过面形误差补偿的方式，在检测得到的绝对误差图基础上加入非回转对称项面形误差，通过准对心气囊磨头加工的方式得到最终非对称非球面面形。
【IPC分类】B24B13/00
【公开号】CN105538086
【申请号】CN201510944659
【发明人】徐乐, 张春雷, 代雷, 张健, 隋永新, 杨怀江
【申请人】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2015年12月16日