專利名稱：光學(xué)玻璃和硅單晶非球面光學(xué)元件的加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種光學(xué)元件的加工技術(shù)，主要用于普通的光學(xué)玻璃及硅單晶材料非球面光學(xué)元件的制作。
背景技術(shù)：
通過(guò)檢索，未發(fā)現(xiàn)與此相同或相似的技術(shù)報(bào)道，目前，對(duì)光學(xué)玻璃及硅單晶材料非球面光學(xué)元件的加工，主要采用傳統(tǒng)的拋光工藝技術(shù)，其主要工藝流程 一般情況下，只對(duì)2次非球面光學(xué)元件加工，對(duì)于高次非球面(10次以上)來(lái)說(shuō)，勉強(qiáng)可以加工，但制作出的元件存在著周期長(zhǎng)、成本高、精度難以保證的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要技術(shù)任務(wù)和目的是根據(jù)傳統(tǒng)的工藝加工非球面光學(xué)元件的不足，尋找一種新的方法，對(duì)普通光學(xué)玻璃及硅單晶材料非球面光學(xué)元件的加工，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率大幅度的提高，精度質(zhì)量得到保證，適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)向短、小、精方向發(fā)展，以滿足市場(chǎng)需求。
本發(fā)明的主要技術(shù)方案是用計(jì)算機(jī)數(shù)控磨床和計(jì)算機(jī)數(shù)控拋光機(jī)床進(jìn)行加工。其工藝流程A、下料、B、非球面粗磨、C、非球面精磨、D、非球面拋光、E、非球面修拋、F、檢測(cè)面型、G、包裝。
所加工出的非球面光學(xué)元件，表面質(zhì)量較好，粗糙度Ra達(dá)0.003微米，與傳統(tǒng)的加工方法相比，生產(chǎn)效率至少提高十倍以上，元件合格率達(dá)百分之百，成本和質(zhì)量明顯改善。
四

圖1，是本發(fā)明的工藝流程圖，也是本發(fā)明的主要技術(shù)方案圖。
圖2，是本發(fā)明的蝶形磨輪圖。
圖3，是本發(fā)明的整體柔性拋光模具圖。
圖4，是本發(fā)明的修正拋光模具圖。
圖5，是本發(fā)明的2次非球面光學(xué)元件加工實(shí)施例圖。
圖6，是本發(fā)明的10次非球面光學(xué)元件加工實(shí)施例圖。
圖7，是本發(fā)明的15次非球面光學(xué)元件加工實(shí)施例圖。
五具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
以光學(xué)玻璃中最常用具有代表性的K3、K4、K9、ZF2、ZF5、ZF6、LaK、baK玻璃和硅單晶材料為例，對(duì)2次、10次、15次非球面光學(xué)元件進(jìn)行加工，用計(jì)算機(jī)數(shù)控磨床及計(jì)算機(jī)數(shù)控拋光機(jī)床，采用合理的工藝方法和檢測(cè)手段，得到完全符合技術(shù)要求的非球面光學(xué)元件。
參照?qǐng)D1，本發(fā)明按如下工藝流程進(jìn)行A、下料，用內(nèi)圓切片機(jī)對(duì)光學(xué)玻璃材料進(jìn)行切割下料。
B、非球面粗磨，(1)、根據(jù)給定參數(shù)輸入方程，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算出與非球面相適合的曲率半徑Rfit，再用范成型法銑磨出半徑Rfit，(2)按照參數(shù)通過(guò)數(shù)控磨床編程后，用蝶形粗磨磨輪按軌跡磨出非球面，磨輪轉(zhuǎn)速8000-12000轉(zhuǎn)/分，工件轉(zhuǎn)速40-70轉(zhuǎn)/分，切深0.04毫米，進(jìn)給量0.1-0.5毫米/分。
C、非球面精磨，(1)用蝶形精磨磨輪進(jìn)行對(duì)工件精磨，磨輪轉(zhuǎn)速8000-12000轉(zhuǎn)/分，工件轉(zhuǎn)速40-70轉(zhuǎn)/分，切深0.02毫米，進(jìn)給量0.1-0.05毫米/分。(2)用接觸式精密輪廓分析儀檢測(cè)精磨后的非球面面形，通過(guò)調(diào)整數(shù)控機(jī)床X軸的移動(dòng)量以及工件的厚度誤差，達(dá)到該工序合格的面形誤差即粗糙度平均值Ra＜0.2微米，最大值Rt＜2微米。
D、非球面拋光，用整體柔性拋光模具對(duì)非球面工件在數(shù)控拋光機(jī)床上進(jìn)行拋光，拋光模轉(zhuǎn)速600轉(zhuǎn)/分，工件轉(zhuǎn)速580轉(zhuǎn)/分。拋光數(shù)十分種(時(shí)間根據(jù)工件尺寸大小而定)后，通過(guò)測(cè)量，誤差Rt＜1微米，合格者轉(zhuǎn)下道工序。若不合格，返回非球面精磨工序進(jìn)行銑磨補(bǔ)償，再進(jìn)行拋光數(shù)十分鐘，再測(cè)量。直至合格為止。
E、非球面修拋，對(duì)拋光合格的非球面工件用修正拋光模具進(jìn)行小磨頭補(bǔ)償拋光修正。拋光模轉(zhuǎn)速600轉(zhuǎn)/分，工件轉(zhuǎn)速580轉(zhuǎn)/分。
F、檢測(cè)面形，進(jìn)行最終面形檢驗(yàn)，面型精度達(dá)到Ra＜0.05微米，Rt＜0.5微米，光潔度達(dá)II級(jí)。
G、包裝。
所需設(shè)備計(jì)算機(jī)數(shù)控磨床、計(jì)算機(jī)數(shù)控拋光機(jī)床、接觸式精密輪廓分析儀。
參照?qǐng)D2，本發(fā)明使用的粗、精磨輪為蝶形磨輪，由金剛石1、青銅機(jī)體2、軸孔3組成。
參照?qǐng)D3，本發(fā)明使用的整體柔性拋光模具，由黃銅機(jī)體4、高密度海棉5、聚胺脂6組成。
參照?qǐng)D4，是本發(fā)明使用的修正拋光模具，由無(wú)銹鋼機(jī)體7、卡套8、橡膠套9、小磨頭固定軸10、小磨頭11組成。
實(shí)施例一、加工2次非球面光學(xué)元件，如圖5所示，A面為非球面，材料光學(xué)玻璃材料或硅單晶材料，Φ＝17毫米，非球面頂點(diǎn)半徑R0＝10.085毫米，δ＝5毫米，2次非球面方程Y=CX2/1+1-(1+K)C2X2,]]>其中Y表示非球面上任意一點(diǎn)距非球面頂點(diǎn)的垂直距離，即稱弧高，X是非球面有效半徑Φ/2＝8.5毫米上任意一點(diǎn)數(shù)據(jù)，K是面型系數(shù)，K＝-1.490242，C＝1/R0＝0.0991571641，A、下料，按圖紙要求，用內(nèi)圓切片機(jī)對(duì)光學(xué)玻璃或硅單晶材料進(jìn)行下料。
B、非球面粗磨，(1)、根據(jù)給定參數(shù)輸入方程，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算出與非球面相適合的曲率半徑Rfit，Rfit＝12.55毫米，按范成型法銑磨出半徑Rfit，(2)按照參數(shù)通過(guò)數(shù)控磨床編程，用蝶形粗磨磨輪按軌跡磨出非球面，磨輪轉(zhuǎn)速8000轉(zhuǎn)/分，工件轉(zhuǎn)速40轉(zhuǎn)/分，切深0.04毫米，進(jìn)給量0.1毫米/分。
C、非球面精磨，(1)用蝶形精磨磨輪對(duì)工件進(jìn)行精磨，磨輪轉(zhuǎn)速8000轉(zhuǎn)/分，工件轉(zhuǎn)速40轉(zhuǎn)/分，切深0.02毫米，進(jìn)給量0.1毫米/分。(2)用輪廓分析儀檢測(cè)精磨后非球面面形，該工序誤差應(yīng)該達(dá)到Ra＜0.2微米，Rt＜2微米。若達(dá)不到，通過(guò)調(diào)整數(shù)控機(jī)床X軸的移動(dòng)量以及工件的厚度誤差來(lái)達(dá)到。
D、非球面拋光，用整體柔性拋光模具對(duì)工件在數(shù)控拋光機(jī)上進(jìn)行拋光，拋光模轉(zhuǎn)速600轉(zhuǎn)/分，工件轉(zhuǎn)速580轉(zhuǎn)/分，拋光15分種后，通過(guò)測(cè)量合格的(誤差應(yīng)該達(dá)到Rt＜1微米)轉(zhuǎn)下道工序。若不合格，返回非球面精磨工序進(jìn)行銑磨補(bǔ)償，再拋光15分鐘，再測(cè)量。直至合格為止。
E、非球面修拋，對(duì)拋光合格的工件用修正拋光模具進(jìn)行小磨頭補(bǔ)償拋光修正，拋光模轉(zhuǎn)速600轉(zhuǎn)/分，工件轉(zhuǎn)速580轉(zhuǎn)/分。
F、檢測(cè)面形，進(jìn)行最終面形檢驗(yàn)，面型精度達(dá)到Ra＜0.05微米，Rt＜0.5微米，光潔度達(dá)II級(jí)。
G、包裝。
加工過(guò)程中所需設(shè)備同上。
實(shí)施例二加工10次非球面光學(xué)元件，如圖6所示，A為非球面，材料光學(xué)玻璃或硅單晶，Φ＝60毫米，R＝92.04毫米，δ1＝12.33毫米，δ2＝10.76毫米，非球面有效半徑Φ/2＝30毫米，非球面頂點(diǎn)半徑R0＝215.985毫米。非球面方程Y=CX2/1+1-(1+K)C2X2+a2X2+a3X3+a4X4+......a10X10,]]>其中C＝1/R0＝0.00463，K＝46.308，a2、a3、a5、a7、a9均為零，a4＝-1.027972E-6、a6＝4.53049E-10、a8＝8.80954E-13，a10＝-1.022878E-15，X是有效半徑Φ/2＝30毫米上任意一點(diǎn)的數(shù)據(jù)。
A、下料，按圖紙要求，用內(nèi)圓切片機(jī)對(duì)光學(xué)玻璃或硅單晶材料進(jìn)行下料。
B、非球面粗磨，(1)、根據(jù)給定參數(shù)輸入方程，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算出與非球面相適合的曲率半徑Rfit，Rfit＝143.22毫米，按范成型法銑磨出半徑Rfit，(2)按照參數(shù)通過(guò)數(shù)控磨床編程，用蝶形粗磨磨輪按軌跡磨出非球面。磨輪轉(zhuǎn)速10000轉(zhuǎn)/分，工件轉(zhuǎn)速60轉(zhuǎn)/分，切深0.04毫米，進(jìn)給量0.2毫米/分。
C、非球面精磨，(1)用蝶形精磨磨輪對(duì)工件進(jìn)行精磨，磨輪轉(zhuǎn)速10000轉(zhuǎn)/分，工件轉(zhuǎn)速60轉(zhuǎn)/分，切深0.02毫米，進(jìn)給量0.02毫米/分。(2)用輪廓分析儀檢測(cè)精磨后的非球面面形，誤差應(yīng)該達(dá)到Ra＜0.2微米，Rt＜2微米，若達(dá)不到，通過(guò)調(diào)整數(shù)控機(jī)床X軸的移動(dòng)量以及工件的厚度誤差來(lái)達(dá)到。
D、非球面拋光，用整體柔性拋光模具對(duì)工件在數(shù)控拋光機(jī)上進(jìn)行拋光，拋光模轉(zhuǎn)速600轉(zhuǎn)/分，工件轉(zhuǎn)速580轉(zhuǎn)/分，拋光60分種后，通過(guò)測(cè)量合格者(誤差應(yīng)該達(dá)到Rt＜1微米)轉(zhuǎn)下道工序。若不合格，返回非球面精磨工序進(jìn)行銑磨補(bǔ)償，再進(jìn)行拋光60分鐘，再測(cè)量。直至合格為止。
E、非球面修拋，對(duì)拋光合格的非球面工件用修正拋光模具進(jìn)行小磨頭補(bǔ)償拋光修正，拋光模轉(zhuǎn)速600轉(zhuǎn)/分，工件轉(zhuǎn)速580轉(zhuǎn)/分。
F、檢測(cè)面形，進(jìn)行最終面形檢驗(yàn)，面型精度達(dá)到Ra＜0.05微米，Rt＜0.5微米，光潔度達(dá)II級(jí)。
G、包裝。
加工過(guò)程中所需設(shè)備同上。
實(shí)施例三，加工15次非球面光學(xué)元件，如圖7所示，A為非球面，材料光學(xué)玻璃或硅單晶材料，Φ＝82毫米，δ1＝4.37毫米，δ2＝3.98毫米，R＝64.86毫米，R0＝30.70475毫米，15次非球面方程Y=CX2/1+[1-(1+K)C2X2+a2X2+a3X3+a4X4+......a15X15,]]>a2、a3、a4、a5、a7、a9、a11、a12、a13、a14、均為零，a6＝-1.35762E-8、a8＝1.144274E-11，a10＝4.921716E-14，a15＝-3.30473E-18，X是有效半徑Φ/2＝41毫米上任意一點(diǎn)的數(shù)據(jù)，C＝1/R0＝0.03256825，K＝0.4811033。
A、下料，按照?qǐng)D紙要求，用內(nèi)圓切片機(jī)對(duì)光學(xué)玻璃或硅單晶進(jìn)行下料。
B、非球面粗磨，(1)、根據(jù)給定參數(shù)輸入方程，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算出與非球面相適合的曲率半徑Rfit，Rfit＝30.924毫米，按范成型法銑磨出半徑Rfit，(2)按照參數(shù)通過(guò)數(shù)控磨床編程，用蝶形粗磨磨輪按軌跡磨出非球面，磨輪轉(zhuǎn)速12000轉(zhuǎn)/分，工件轉(zhuǎn)速70轉(zhuǎn)/分，切深0.04毫米，進(jìn)給量0.5毫米/分。
C、非球面精磨，(1)用蝶形精磨磨輪對(duì)工件進(jìn)行精磨，磨輪轉(zhuǎn)速12000轉(zhuǎn)/分，工件轉(zhuǎn)速70轉(zhuǎn)/分，切深0.02毫米，進(jìn)給量0.05毫米/分。(2)用輪廓分析儀檢測(cè)精磨后的非球面面形，誤差應(yīng)該達(dá)到Ra＜0.2微米，Rt＜2微米，若達(dá)不到，通過(guò)調(diào)整數(shù)控機(jī)床X軸的移動(dòng)量以及工件的厚度誤差來(lái)達(dá)到。
D、非球面拋光，用整體柔性拋光模具對(duì)工件在數(shù)控拋光機(jī)上進(jìn)行拋光，拋光模轉(zhuǎn)速600轉(zhuǎn)/分，工件轉(zhuǎn)速580轉(zhuǎn)/分，拋光60分種后，通過(guò)檢測(cè)合格的(誤差應(yīng)該達(dá)到Rt＜1微米)轉(zhuǎn)下道工序。若不合格，返回非球面精磨工序進(jìn)行銑磨補(bǔ)償，再進(jìn)行拋光數(shù)60分鐘，再測(cè)量。直至合格為止。
E、非球面修拋，對(duì)拋光合格的非球面工件用修正拋光模具進(jìn)行小磨頭補(bǔ)償拋光修正，拋光模轉(zhuǎn)速600轉(zhuǎn)/分，工件轉(zhuǎn)速580轉(zhuǎn)/分。
F、檢測(cè)面形，進(jìn)行最終面形檢驗(yàn)，面型精度達(dá)到Ra＜0.05微米，Rt＜0.5微米，光潔度達(dá)II級(jí)。
G、包裝。
加工過(guò)程中所需設(shè)備同上。
以上僅列舉2次、10次、15次光學(xué)玻璃和硅單晶非球面光學(xué)元件的加工實(shí)例，均已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，合格率在百分之百，完全達(dá)到本發(fā)明的目的。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)玻璃和硅單晶非球面光學(xué)元件的加工方法，含有工序A下料、B非球面粗磨，G包裝，其特征在于用計(jì)算機(jī)數(shù)控磨床和數(shù)控拋光機(jī)床對(duì)光學(xué)玻璃和硅單晶進(jìn)行加工，采用工藝流程C、非球面精磨，用蝶形精磨磨輪對(duì)工件進(jìn)行精磨，磨輪轉(zhuǎn)速8000-12000轉(zhuǎn)/分，工件轉(zhuǎn)速40-70轉(zhuǎn)/分，切深0.02毫米，進(jìn)給量0.1-0.05毫米/分。D、非球面拋光，用整體柔性拋光模具對(duì)非球面工件在數(shù)控拋光機(jī)床上進(jìn)行拋光，拋光模轉(zhuǎn)速600轉(zhuǎn)/分，工件轉(zhuǎn)速580轉(zhuǎn)/分，拋光后通過(guò)檢測(cè)，合格的轉(zhuǎn)下道工序，不合格的，返回非球面精磨工序進(jìn)行銑磨補(bǔ)償，再進(jìn)行拋光，再檢測(cè)，直至合格。E、非球面修拋，對(duì)拋光合格的非球面工件，用修正拋光模具進(jìn)行小磨頭補(bǔ)償拋光修正，拋光模轉(zhuǎn)速600轉(zhuǎn)/分，工件轉(zhuǎn)速580轉(zhuǎn)/分。F、檢測(cè)面形，用精密輪廓分析儀對(duì)工件進(jìn)行最終檢測(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)玻璃和硅單晶非球面光學(xué)元件的加工方法，其特征在于所采用的蝶形磨輪，由金剛石(1)、青銅機(jī)體(2)、軸孔(3)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)玻璃和硅單晶非球面光學(xué)元件的加工方法，其特征在于所采用的整體柔性拋光模具，由黃銅機(jī)體(4)、高密度海棉(5)、聚胺脂(6)組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)玻璃和硅單晶非球面光學(xué)元件的加工方法，其特征在于所采用的修正拋光模具，由無(wú)銹鋼機(jī)體(7)、卡套(8)、橡膠套(9)、小磨頭固定軸(10)、小磨頭(11)組成。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種光學(xué)元件的加工技術(shù)，主要用于光學(xué)玻璃和硅單晶非球面光學(xué)元件的加工。其主要技術(shù)特征是用計(jì)算機(jī)數(shù)控磨床和數(shù)控拋光機(jī)床對(duì)光學(xué)玻璃和硅單晶進(jìn)行加工，采用新工藝流程，非球面精磨、非球面拋光、非球面修拋、檢測(cè)面型等。本發(fā)明從根本上克服了用傳統(tǒng)拋光工藝方法加工光學(xué)玻璃和硅單晶非球面光學(xué)元件存在效率低、精度難以保證的缺陷。達(dá)到了降低生產(chǎn)成本、質(zhì)量穩(wěn)定、效率顯著提高的預(yù)期效果。
文檔編號(hào)B24B13/00GK1846937SQ20051001074
公開(kāi)日2006年10月18日 申請(qǐng)日期2005年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月13日
發(fā)明者張有彩, 羅剛, 段有輝 申請(qǐng)人:云南北方光學(xué)電子集團(tuán)有限公司