高精度非球面透镜的加工与检测

高精度非球面透镜的加工与检测

于海鹏 ,郝东杰

长春奥普光电技术股份有限公司，吉林 长春，130000

摘要：针对非球面透镜高精度的加工需求，提出了一种组合式抛光技术。在采用不用研抛参数的条件下将自动化研抛系统与离子研抛机相结合，从而提高了系统对非球面透镜的加工能力。通过仿真分析与实验测试，验证了提高表面精度的设计理念。

关键词：透镜加工；非球面；离子抛光机；仿真计算

1 引言

大口径不是球面的元件由于具有不需要中心遮蔽，可以改善成像质量，让系统结构更简单等优点，现已是空间相机和超大功率的激光器等光学装置的重要器件之一[1]。随着科学技术的进步，目前的大尺寸光学系统在器件表面质量、加工效率方面都有了很大的提高，远超出古典光学在系统设计中的要求

从频域上看，光学器件的制作误差可分为低频段的误差、中频段的误差还有高频段的误差三种。中频段的误差可分为两个频段：SD1、PSD2。分段的频率是0.4 mm-1。高频相位的误差在8.3到100 mm-1之间[2]。大口径不是球面零件的常规加工工艺是采用铣磨出形状、散粒研磨和抛光等工艺，使其达到与球面形态最接近，然后采用人工修整抛光或者数控机床把球面再变成非球面。这种把零件抛光成球面，然后再从球面到非球面的加工方法存在着很大的缺陷。

2 设计思路

为解决以上问题，改善非球面的加工效率和精确度，各种先进的工艺技术（抛光技术例如磁流变、离子束、气囊、等离子体技术等）被开发出来并且迅速发展。同时，以先进的制造技术为基础，开发了多种工艺的加工方法。 位于英国的Zeeko公司的Walker等人提出了一种利用超精密研磨加气囊抛光的技术来加工欧洲大型望远镜制造所需要的大型非球面零件。所制得的米级口径的六边形不是球面光学器件的面形误差PV可达62纳米， RMS可达11纳米。位于美国的 QED公司的 Dumas等人[3]提出了一种新的抛光工艺，即将 MRF技术与常规的沥青抛光技术相结合，应用于非球面研磨出形以后再抛光的加工。

为了满足高精确度批量生产离轴型的非球面零件需求，本文研究了一种混合的抛光工艺，以达到高效率生产非球面零件的目的。采用两种抛光设备组合对非球面透镜进行抛光，有效地改善了非球面的全部频段制造精度。

3 加工工艺

3.1工艺流程

从典型的大直径非球面零件的加工过程中可以看出，目前主流的加工工艺都是建立在“超精密研磨加确定抛光”的基础上。此工艺路线具有以下特征：(1)采用超精密研磨技术，制造出具有部分面形精确度的不是球面的元件，并对研磨的缺陷的深浅进行控制。(2)在研磨成形后，采用单一的子口孔工艺或者多种工艺的联合，对研磨缺陷层进行快速的清除，并对其进行表面误差校正，直至达到最终的指标要求。

为了完成控制非球面零件的各种工艺参数，可将确定抛光过程分为三个阶段：保形（也可称为快速抛光）、平滑、修正。首先，利用超精密研磨技术，实现了直接形成一个非球面元件，并把亚表面的缺陷降到了一个较小的水平。其次，利用去除效率较高的子口径工艺抛光，对零件表面进行了快速的保形抛光和亚表面工艺缺陷的处理。此外，该器件的低频误差使用了稳定性较高的子口径工艺抛光来校正。在保证低频误差不再增大的前提下，借由匀滑抛光工艺来实现对器件的高频误差进行有效的控制。

3.2研抛方式

加工利用自动研抛机床完成初抛。这种工艺方法仍是以 CCOS工艺研抛为基础，基于机器人的6轴数字控制运动系统，采用末端柔性的研磨工具头，通过仿照人为加工的方法实现了非球面的高精度研磨[7]。相对于龙门式的光学机械，机械手的研磨更灵活，操作更方便。该方法具有多个自由度，位于最尾端的抛光头能够实时地与镜面法线垂直，使磨具头部与镜面保持最好的一致性，并且具有更稳定的去除性能；而且，抛光头的拆装速度很快，便于多个研磨机的结合，具有较高的加工效率。

同时，这个系统还使用了离子束的抛光机作为第二种机器来实现组合抛光。德国的 NTG开发的，是世界上最大规模的商品离子束激光加工设备。它的加工方法是通过使用中性的离子束对零件的表面进行束流轰击，从而实现精确的纳米级消除[8]。该装置由真空的舱体、控制运动的系统、控制离子源的系统、电子控制系统和翻转工装以及其它辅助部件构成，能加工口径2米范围内的不是球面的光学器件。利用三级泵完成真空状态的抽取，三级泵由机械、罗茨、分子泵三种泵组成；离子源是在 Z轴系上实施控制，类型是 RF射频；利用真空箱体中的X-Y直线型导轨构成运动系统；翻转工装能让非球面完成表面向下的旋转。

4 仿真分析与实验测试

对非球面透镜加工后不同轴向的平均误差分布进行迭代求和，可以获得其表面的误差分布趋势，如图1所示。

             (a) 仿真分析                     (b)干涉实验测试

图1 表面误差分布与干涉条纹图像

如图1(a)所示，经过两种抛光工艺组合的非球面表面的表面误差分布达到了较好的均匀效果。在此基础上，如图1(b)所示，其干涉条纹的均匀度也相对较好。分析认为其光学面型在组合抛光工艺的改善下得到了较好的提升。

5 结论

本文介绍了一种具有高效率的非球面研磨制造技术，并且将抛光工艺小型化与自动化。充分利用抛光工艺的高效性，精确性和柔性材料的小型工具抛光工艺的均匀光滑性，既能有效地增大非球面的制造速度，又能有效地控制整个频段的误差。零件的通光口径制造精度有了很大的提高。中频带的关于功率谱的密度曲线都低于所规定的评定曲线。试验结果显示，该工艺对非球面的快速抛光加工具有非常好的效果。

参考文献：

[1] Zhong B, Chen X H, Pan R, et al. The effect of tool wear on the removal characteristics in high -efficiency bonnet polishing [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology , 2017, 91: 3653-3662.

[2] 郭夏锐，王春雨，廖志波，等．高精度透射式空间光学系统装调误差分析与动态控制[J].红外与激光工程, 2012, 41(4): 947-951.

[3] 李龙响，郑立功，邓伟杰. 应用四轴联动磁流变机床加工曲面[J].光学精密工程, 2015, 23(10): 2819-2826.