非球面加工技術(shù)

1、非球面加工技術(shù)1.引言1.1意義非球面是光電系統(tǒng)的基本元件，與球面光學(xué)元件相比，使用非球面元件有許多優(yōu)越性。首先，非球面可以獲得球面元件無可比擬的成像質(zhì)量，它可以有效矯正多種 象差。其次，一個或幾個非球面零件代替多個球面零件，從而簡化儀器結(jié)構(gòu)，降低成本并有效的減輕儀器重量。以星載成像光學(xué)系統(tǒng)為例，使用非球面元件可以減輕20*30%勺重量；而每減輕 1千克的重量，其發(fā)射的成本相應(yīng)可降低 5萬元人民幣。非球面元件能夠達到甚至采用多球面元 件組也無法達到的設(shè)計要求。正因為非球面有諸多的優(yōu)點，所以得到了越來越廣泛的應(yīng)用， 具體表現(xiàn)在如下幾方面：(1)軍事方面：如衛(wèi)星紅外望遠(yuǎn)鏡、導(dǎo)彈導(dǎo)引頭、夜視儀器、導(dǎo)

2、航裝備等。如由于導(dǎo)彈 導(dǎo)引頭需要高品質(zhì)、高成像質(zhì)量和高可靠性，導(dǎo)彈導(dǎo)引頭往往設(shè)計成非球面輪廓。(2)民用光電產(chǎn)品：如攝影鏡頭和取景器、變焦鏡頭、電影放影鏡頭、錄像機鏡頭、CD/DVD的讀取頭、數(shù)碼相機、光纖通信的光纖接頭、醫(yī)療上的內(nèi)窺鏡等。1.2難點非球面零件有諸多的優(yōu)點，但是它在加工中存在著許多困難，主要有以下幾點:非球面的面形比較復(fù)雜， 表面各點的曲率不同， 拋光模與加工表面無法很好的吻合， 故拋光 時表面難以修正；(2)非球面對其另一個平面或球面的偏斜無法用磨邊來糾正，不能用定心的方法保證光學(xué)表面的同軸性； (3)非球面的檢驗也不能用傳統(tǒng)的球面檢驗方法，需要專門的輔助設(shè)備。這些問題增加了

3、非球面零件的制造難度，限制了非球面零件的應(yīng)用。非球面可分為旋轉(zhuǎn)對稱型非球面和自由曲面兩種，使用最多的是旋轉(zhuǎn)對稱型非球面， 常用的有拋物面鏡、雙曲面鏡、橢球面鏡等。2.非球面零件的概念及應(yīng)用所謂的非球面光學(xué)元件 是指面形由多項高次方程決定、面形上各點的曲率半徑均不同 的光學(xué)元件。目前光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛的旋轉(zhuǎn)對稱型非球面，其最基本的面形是二次曲面， 若選光軸為Z軸，非球面的頂點為坐標(biāo)原點，則該二次曲面可表示為：R . R2 (1 K)h(1.1)式中，R是非球面頂點處的曲率；h表示非球面上任一點到光軸Z的距離；K是次曲面系數(shù)，它與二次曲面的離心率e有關(guān)，K值的不同則表示不同形狀的非球面，如圖1.2

4、圖1二次曲線當(dāng)K=0時，表示為一個圓，如圖 1.2中曲線1;當(dāng)K0時，表示橢圓。如圖1.2中曲線2;當(dāng)-1 K0時，表示拋物線。如圖 1.2中曲線3;當(dāng)K (x. y)究。工件的表面面形曲線 Zo (x ,y )被細(xì)分為若干等高度為的薄層，當(dāng)電極以勻速并以圖 1.11的掃描方式拋光去除掉每一層時就可以獲得我們所需要的面形精度。圖1.11 PVCM拋光掃描方式示意圖比如，以工件的初始 P V值為1.5 m,要獲得最終的 P V值為0.1um的精度。那么， 可將其分成15層，每層0.1 mi這樣加工后就可以得到想要的精度。這種方法要求電極的 掃描速率恒定，y的值不變?？梢酝ㄟ^編寫計算機程序，利用計

5、算機來進行精密的控制。利用這種方法Takino等人分別對平面和曲面的fused silica工件進行了拋光實驗。對于P-V值等于1.27 m,表面粗糙度為 0.34 m的平面元件，加工后的P- V為0.08 m,2表面粗糙度降至 0.015 m,總耗時3個小時。經(jīng)過二次反復(fù)加工表面曲線Z=x/800的曲面后，用干涉儀測量其表面，P- V值從0.54 m降至0.13 m,表面粗糙度由0.103 m降至0.017 m,整個加工過程耗時 3.8個小時。加工曲面的精度之所以比加工平面的要差而且要 反復(fù)加工，是因為在加工曲面過程中，電極的傾斜角度要隨著曲面不斷變化，這樣就會產(chǎn)生一定的誤差而且它的加工行程

6、要比加工平面的要長，這使工作電路的阻抗會產(chǎn)生很大的變 化。對于這種變化產(chǎn)生的誤差，只有重復(fù)加工才能獲得比較理想的面形精度。近來報道了用該方法將 160mm口徑的fused silica加工成非球面，非球面與最接近比較球面(曲率半徑404mm的最大偏離量為 O.5 m=經(jīng)過3.8小時的拋光，得到0.13 m的P-V 值和0.017 m的RMS該方法可以獲得高精度的光學(xué)表面，但是其設(shè)備非常復(fù)雜，需要產(chǎn)生 等離子體的真空系統(tǒng)，而且加工耗時長，效率低，加工過程不易控制，并且加工材料有限， 對于反應(yīng)方程式未知的材料無法加工。4工件的檢測a.檢測裝置工件的檢測采用實驗室現(xiàn)有的檢測裝置：英國Taylor H

7、obson公司生產(chǎn)的FormTalySurf Series 2接觸式輪廓儀以及 TalySurf CCI非接觸式粗糙度檢測儀。圖2.4為Form TalySurf Series 2接 觸式輪廓儀的檢測原理圖由激光器發(fā)出的激光束 經(jīng)分束器后，一束光射到固定的參考棱鏡上，另一支射到安裝在測量桿頂端的可動棱鏡上45。測頭是用一個尖端半徑很小的金剛石觸針。測量時測量桿帶動金剛石測針沿非球面表面做橫向滑動掃描，測針跟隨零件表面輪廓的形狀做垂直位移，從而改變測量光路與參考光路之間的光程差。再通過激光干涉儀測出這一光程差就獲得了被測非球面與參考球的偏差?？梢哉f這種檢測設(shè)備最大可能地再現(xiàn)了工件表面的狀況。圖

8、2.4 Form TalySurf Series 2檢測原理圖PhotoDiodeLaser該儀器主要技術(shù)指標(biāo)：1）檢測范圍： 5一120mm2）檢測高度：6mm3）行程：X 軸 120mm Z 軸 450mm4）橫向移動速度：0.5mm/s、1mm/s兩種選擇；5）直線誤差：0.1 m6）在12.5mm的量程內(nèi)精度0.02 m,Form TalySurf Series 2接觸式檢測雖然最大可能地再現(xiàn)了工件表面的狀況，但是這種方法最大的缺陷在于測針滑過工件表面也會給工件表面造成劃傷，既破壞了工件表面形貌也降低了測量精度。所以在較高精度的測量中采用TalySurf CCI非接觸式粗糙度檢測儀。T

9、alySurf CCI 2000 型非接觸式粗糙度檢測儀是一種利用光干涉原理研制的檢測儀器， 主要由光纖光學(xué)照明器、掃描控制器、掃描物鏡和圖象傳感器等部分組成。它利用相移干涉技術(shù)及數(shù)字信號處理來產(chǎn)生快速、準(zhǔn)確的三維輪廓的測量。并利用壓電陶瓷傳感器（PZT）進行掃描，用CC而陣作接收器，通過接口電路用計算機進行圖像處理并顯示出測量結(jié)果。FormTalySurf Series 2接觸式輪廓儀不僅可以檢測零件表面輪廓和表面粗糙度，還是測量非球面面形的理想儀器。圖2.5為TalySurf CCI非接觸式粗糙度檢測儀的原理圖。非接觸式測量法主要有利用 光的散射，干涉法等測量技術(shù)46,47 。TalySu

10、rf CCI非接觸式粗糙度檢測儀是基于光學(xué)干涉測量表面粗糙度。光干涉測量的基本原理是：相干光照射到工件表而同一位置時，由于光波的相互位相關(guān)系，使合成光強度發(fā)生周期性變化，即產(chǎn)生光波干涉現(xiàn)象產(chǎn)生的干涉條紋圖經(jīng)過CCD是光電二極管采集，并通過計算機處理得到我們需要的測量區(qū)的形貌圖及數(shù)據(jù)。Prism and Beam SplitterBeam SplitterCollimatorLight BarrierLeafObjective lensDifferentialPhotoDiodesMagnet and CoilLaser DiodeTube圖2.5 TalySurf CCI 2000型檢測原理圖該儀器具有以下特點：1）可檢測光學(xué)球面、非球面、自由曲面和平面的表面波紋度及粗糙度；2）配置有Ultra測量、分析軟件，可按初始設(shè)定直接顯示原始或分析