[發(fā)明專利]全頻段高精度非球面光學(xué)元件的加工方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510149320.8
• 申請(qǐng)日: 2015-04-01
• 公開（公告）號(hào): CN104772661B
• 公開（公告）日: 2017-12-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 邵建達(dá);張逸中;魏朝陽;胡晨;張海超
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所
• 主分類號(hào): B24B1/00
• 分類號(hào): B24B1/00
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司31213
• 代理人: 張澤純,張寧展

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于非球面光學(xué)元件的數(shù)控加工領(lǐng)域，具體涉及一種非球面光學(xué)元件的全頻段誤差控制的方法。

背景技術(shù)

隨著現(xiàn)代光學(xué)元件加工技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的手工加工非球面的方法已經(jīng)逐步被有著以“確定性加工”為標(biāo)志的現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)——計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成形(CCOS)技術(shù)所取代。CCOS技術(shù)是一種利用計(jì)算機(jī)控制小工具實(shí)現(xiàn)確定區(qū)域的確定量加工的技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)材料去除的理論基礎(chǔ)是Preston方程，它是一種依靠正壓力實(shí)現(xiàn)材料有效去除的加工方法。典型的小工具結(jié)構(gòu)是在一個(gè)金屬底盤上覆蓋一層瀝青，由于整個(gè)小工具的剛度較大，所以通常被稱為剛性盤。在小工具拋光范圍內(nèi)，材料的去除可以宏觀的表現(xiàn)為去除函數(shù)，通常形狀為類高斯型。另外小工具在拋光的過程中，材料的去除遵循“高點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)去除”原則，即當(dāng)小工具在加工時(shí)，首先是與工件表面的高點(diǎn)區(qū)域發(fā)生接觸，然后瀝青材料會(huì)在正向壓力的作用下發(fā)生微觀形變，以適應(yīng)工件表面微觀結(jié)構(gòu)，因?yàn)楦唿c(diǎn)區(qū)域所受的壓力比其他區(qū)域大，所以造成的材料去除量也大，這和Preston方程也是相吻合的。由于使用的小工具尺寸一般都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工件尺寸，因此在實(shí)現(xiàn)低頻面形誤差確定收斂的同時(shí)，越來越多的小尺度誤差也在隨之產(chǎn)生。另外，由于傳統(tǒng)小工具是剛性拋光盤，它無法滿足非球面表面各處的曲率變化，因此，給非球面制造帶來了許多困難，尤其是非球面表面的中高頻誤差控制。

為了有效抑制這些中高頻誤差，越來越多的數(shù)控機(jī)床組合加工非球面的方法被提出。組合加工的思想是結(jié)合不同加工方式的優(yōu)點(diǎn)，分階段的將待加工元件分配給不同的加工方式，最終得到一個(gè)高精度的光學(xué)表面。例如，國(guó)防科大提出了一種采用數(shù)控小工具、磁流變加工和離子束加工相結(jié)合的方法來控制中高頻誤差。這種加工方式先使用數(shù)控小工具對(duì)低頻面形精度達(dá)標(biāo)的非球面表面進(jìn)行平滑，然后利用磁流變拋光技術(shù)的柔性拋光原理，來抑制數(shù)控小工具拋光所產(chǎn)生的周期性環(huán)帶誤差，之后又再次使用數(shù)控小工具快速平滑磁流變加工所產(chǎn)生的小尺度誤差，最后使用離子束拋光技術(shù)來提高最終的面形精度。該方法雖然有效的抑制了加工過程中所產(chǎn)生的中高頻誤差，實(shí)現(xiàn)了高精度的非球面元件的加工，但是，該方法的加工過程過于繁瑣，需要使用到三臺(tái)精密數(shù)控機(jī)床，加工成本極高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種低成本、易實(shí)現(xiàn)且加工效率高的全頻段高精度非球面加工方法。

為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明提出的技術(shù)方案是一種全頻段高精度非球面加工的方法，其包括以下步驟：

步驟1)將待加工非球面元件銑磨成形后，用干涉儀測(cè)量非球面面形誤差；

步驟2)根據(jù)測(cè)得的面形誤差，選擇口徑大小不大于該非球面直徑1/4的柔性拋光小工具，再根據(jù)該小工具在不同公自轉(zhuǎn)速度條件下的去除函數(shù)的形狀，選擇類高斯型去除函數(shù)，確定數(shù)控機(jī)床的加工參數(shù)；

步驟3)將待加工非球面元件放置在機(jī)床的加工平臺(tái)上，將加工參數(shù)輸入到機(jī)床控制中心，按變步距螺旋加工路徑進(jìn)行拋光工藝；

步驟4)一個(gè)周期拋光結(jié)束后，對(duì)待加工非球面元件進(jìn)行面形檢測(cè)，根據(jù)面形誤差數(shù)據(jù)的反饋情況，重復(fù)步驟2、3、4直至非球面的低頻面形精度達(dá)標(biāo)；

步驟5)對(duì)低頻面形精度達(dá)標(biāo)的面形數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜密度(Power Spectral Density,PSD)分析，根據(jù)PSD曲線確定的中高頻誤差頻率分布特征，選擇口徑大小不小于非球面直徑1/3的大口徑柔性拋光小工具，再對(duì)非球面元件進(jìn)行光順工藝加工，重復(fù)數(shù)次直至中高頻誤差得到有效控制。

上述全頻段高精度非球面加工方法中，所述的柔性拋光小工具包括金屬底盤、發(fā)泡硅膠板和瀝青拋光層，其可以通過機(jī)床提供的壓力，實(shí)現(xiàn)拋光小工具與非球面表面的實(shí)時(shí)吻合。

上述全頻段高精度非球面加工方法中，所述的光順工藝是小工具采用單自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方式并勻速平滑待加工面的工藝，能在保證低頻面形的同時(shí)，有效的平滑待加工面，提高表面質(zhì)量。

上述全頻段高精度非球面加工方法中，所述的加工方法僅使用一臺(tái)CCOS數(shù)控小磨頭機(jī)床就實(shí)現(xiàn)了非球面光學(xué)元件的全頻段高精度加工。