專利名稱：一種提高離軸非球面鏡形狀精度和加工效率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)器件制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種離軸非球面鏡的加工方法。
背景技術(shù)：
利用離軸非球面鏡架構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)具有組件少、無遮攔、長焦距、大視場、寬波段、 抑制雜光能力強(qiáng)、調(diào)制傳遞函數(shù)高等特點，是空間光學(xué)系統(tǒng)、天文學(xué)和高精度測量系統(tǒng) 不可或缺的光學(xué)器件。三鏡反射系統(tǒng)是其最典型的應(yīng)用，作為空間望遠(yuǎn)鏡的核心部件， 可以避免中心遮攔，還能減少系統(tǒng)體積和重量，同時提高系統(tǒng)的成像質(zhì)量。離軸非球面 鏡還可以用于極紫外光刻(EUVL)中的光刻物鏡，配合其他光學(xué)元件增大收集角，提高反 射效率，實現(xiàn)以波長為11-14nm的軟X射線為曝光光源的微電子光刻技術(shù)，成為超細(xì)線 寬集成電路的主流制造技術(shù)。另外，離軸非球面鏡還可實現(xiàn)高分辨率的分光功能，應(yīng)用 于各種干涉儀、光束準(zhǔn)直儀、光束擴(kuò)展器、光譜檢測器等。
離軸非球面鏡作為非球面的一部分，自身不具備軸對稱性，是一種典型的自由曲面 光學(xué)元件，這種形狀給加工帶來了困難。同時，離軸非球面鏡的應(yīng)用領(lǐng)域決定了它需要 達(dá)到超精密加工要求，即不僅要求具有納米量級的表面粗糙度，更要求具有微米甚至亞 微米的面形精度(P-V值)。普通加工技術(shù)很難滿足其加工要求。目前，普通非球面鏡 一般采用金剛石切削、研磨和拋光等技術(shù)加工，可達(dá)到超精密加工的要求。單點金剛石 切削可實現(xiàn)光學(xué)質(zhì)量表面的單工序加工，不需要研磨等復(fù)雜的后續(xù)工序。近幾年，隨著 快刀和慢刀伺服的出現(xiàn)，為主軸的轉(zhuǎn)動角度添加了反饋或控制，可實現(xiàn)離軸非球面的高 效加工。然而，該加工技術(shù)的研究還處于起步階段，受自由曲面形貌誤差分析評價手段 的限制，仍難加工出形狀精度很高的離軸非球面鏡。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提出一種適用于離軸非球面高效高形狀 精度加工的方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種提高離軸非球面鏡形狀精度和加工效率的方法，用于一次加工多個離軸非球面 鏡， .包括下列步驟
(1)根據(jù)待加工的離軸非球面鏡即子體的形狀和尺寸量，設(shè)計母體的回轉(zhuǎn)非球面和 子母同體結(jié)構(gòu)，使所有子體分布于以母體的回轉(zhuǎn)非球面的主旋轉(zhuǎn)軸為中心，以 離軸非球面中心偏移量A)為半徑的圓周上，確定一次加工離軸非球面子體的數(shù) 量；
3(2) 根據(jù)步驟(1)確定的子體位置，在母體毛坯件上開挖通孔；
(3) 把各個子體毛坯件置于通孔中，組合成圓柱型整體工件后，固定于車床上，在 整體工件上加工出與所述回轉(zhuǎn)非球面的最接近的球面；
(4) 按照所述回轉(zhuǎn)非球面的形狀產(chǎn)生刀具的加工路徑，利用超精密車床對所述的球 面再加工，得到所需要的回轉(zhuǎn)非球面，同時實現(xiàn)對各個子體的離軸非球面的加 工，在加工的同時，測量整體回轉(zhuǎn)非球面形狀，根據(jù)測量結(jié)果進(jìn)行形狀誤差分 析和補(bǔ)償加工，直至離軸非球面的形狀精度滿足要求。
若繼續(xù)加工離軸非球面鏡，可再準(zhǔn)備其他的子體毛坯，重復(fù)步驟(3)和(4);所 述非球面母體的口徑0'>/7。+0/2，其中A)是離軸非球面中心坐標(biāo)，O為離軸非球面鏡
的口徑， 一次加工離軸非球面子體的數(shù)量w^ ,t""，其中Ad為子體之間的分布間
①+ Ad _隔。
本發(fā)明的實質(zhì)性特點是通過機(jī)械設(shè)計將離軸非球面加工轉(zhuǎn)為軸對稱的非球面加工， 并采用金剛石車削實現(xiàn)整體高效切削加工，利用超精密測量方法實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的面形測 量，提高加工面形的形狀精度。
本發(fā)明提出的方法簡單、易于實現(xiàn)，并具有高效、易分離、形狀精度高的特點，可 實現(xiàn)高形狀精度離軸非球面高效加工。具體而言，本發(fā)明有以下特點(1)子體和母體 在超精密車削之前已分離，所以在加工后易于分離所需離軸非球面部分；(2) —次加工 多個工件，因此，加工效率高；(3)離軸非球面的加工粗糙度和形狀精度，與非球面加 工一致；(4)母體可重復(fù)使用，利于進(jìn)行大批量離軸非球面的加工。
圖1子母同體加工法示意圖。
圖2離軸非球面和非球面。 圖3圓弧半徑補(bǔ)償模型。 圖4補(bǔ)償加工流程圖。
具體實施例方式
'因離軸非球面鏡是非球面的一部分，對于尺寸較小或Sag較小的離軸非球面，可以 借助整體非球面的加工來完成離軸非球面的超精密加工，這種方法被稱為"子母同體"加 工法。圖1是加工示意圖，在該方法中，整個非球面是加工"母體"，在其上均勻分布" 個通孔，在開孔部分放置所需加工的離軸非球面"子體"，和非球面母體共同組成完整非 球面，并同時進(jìn)行超精密車削加工， 一次加工出多個離軸非球面。相鄰孔之間空余適量 區(qū)域，用于在補(bǔ)償過程中進(jìn)行超精密測量，實現(xiàn)整體補(bǔ)償加工余量的控制。 非球面的數(shù)學(xué)描述目前已統(tǒng)一采用以下公式其中c為非球面頂點曲率，A:為錐度系數(shù)，A,為非球面系數(shù)，p是極坐標(biāo)的極徑，也是
偏離旋轉(zhuǎn)軸心的距離。式(1)描述的非球面是回轉(zhuǎn)對稱的。其中第一項描述了一種二次 曲面，當(dāng)《的取值范圍不同時可以描述雙曲面、拋物面、橢圓面、球面等。其余項為非 球面項，不同的非球面系數(shù)決定了二次曲面的改變量。離軸非球面是非球面偏離軸心的 部分，如圖2所示，其表達(dá)式在非球面表達(dá)式基礎(chǔ)上偏移中心位置形成，
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其中p。是離軸非球面中心坐標(biāo)，描述為笛卡爾坐標(biāo)系為^。=/7。,:);。=0)， x和y的取值范 圍限定了離軸非球面的外輪廓形狀。當(dāng)工件外形為圓，且工件口徑為O時，則極徑的取 值范圍為|^。 —
在"子母同體"加工法中，所需的非球面的口徑應(yīng)為0'>/ 。+(1>/2。子體數(shù)量確定遵
循數(shù)量最大的原則，以保證成本最低、效率最高化。所有子體均勻分布于以主旋轉(zhuǎn)軸為 中心，以離軸非球面中心偏移量p。為半徑的圓周上，子體之間的分布需要間隔Ad，則子
體數(shù)量為"，
<formula>formula see original document page 5</formula>
(3)
其中[，]為取整符號。
采用以上方法將離軸非球面變?yōu)檩S對稱非球面，采用2軸超精密車床可實現(xiàn)加工。 工件借助真空吸盤被吸附在旋轉(zhuǎn)主軸端面，主軸勻速旋轉(zhuǎn)，金剛石刀具在p和z方向按
照所需非球面的形狀運(yùn)動產(chǎn)生加工路徑，同時實現(xiàn)離軸非球面部分的加工。在形成加工 路徑時，盡量細(xì)分每個控制點的位置，并精確控制每個運(yùn)動點的坐標(biāo)。但實際刀具并非 理想的尖點，在加工路徑的設(shè)計過程中要考慮刀具參數(shù)的存在，對其進(jìn)行補(bǔ)償處理，確 定正確的刀位點， 一般加工僅需考慮圓弧半徑i 的補(bǔ)償。對于給定方程的非球面z(p)，
考慮刀具半徑i 補(bǔ)償時，切削模型可以描述為圖3所示。切削點/7o(po,zo)處模型的法向 矢量為"，可以由方程導(dǎo)數(shù)表示，<formula>formula see original document page 5</formula> (4)
其中《為非球面的導(dǎo)數(shù)
<formula>formula see original document page 5</formula>
刀位點0t(pt,&)應(yīng)為A在"方向上的偏移，偏移量為i o, = Po + " - i (6)
由于加工形狀受刀具的幾何參數(shù)、主軸回轉(zhuǎn)精度、溜板運(yùn)動精度、自振與隔振、系統(tǒng)穩(wěn)定性等因素的影響，直接通過路徑優(yōu)化設(shè)計得到形狀精度仍不能滿足應(yīng)用要求。一般需要采用形貌測量儀對其加工形狀進(jìn)行超精密測量，憑借形狀偏差進(jìn)行補(bǔ)償加工路徑重新設(shè)計，逐步提高形狀精度。圖4是進(jìn)行補(bǔ)償加工的流程圖，采用對非球面進(jìn)行形狀測量，得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理，如測量數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)模型的數(shù)據(jù)匹配、誤差計算、形狀偏差數(shù)據(jù)平滑以及補(bǔ)償路徑調(diào)整等算法。
加工流程為
(1) 根據(jù)待加工的離軸非球面鏡即子體的形狀和尺寸量，設(shè)計母體的回轉(zhuǎn)非球面和子母同體結(jié)構(gòu)，使所有子體分布于以非球面母體的主旋轉(zhuǎn)軸為中心，以離軸非
球面中心偏移量A為半徑的圓周上，確定一次加工離軸非球面子體的數(shù)量；
(2) 根據(jù)步驟(1)確定的子體位置，在母體毛坯件上開挖通孔；
(3) 把各個子體毛坯件置于通孔中，組合成圓柱型整體工件后，固定于車床上，在整體工件上加工出與所述非球面的最接近球面；
(4) 按照所述非球面的形狀產(chǎn)生刀具的加工路徑，利用超精密車床對球面進(jìn)行再加工，得到所需要的回轉(zhuǎn)非球面，同時實現(xiàn)對各個子體的離軸非球面的加工，在加工的同時，測量整體非球面形狀，根據(jù)測量結(jié)果進(jìn)行形狀誤差分析和補(bǔ)償加工，直至離軸非球面的形狀精度滿足要求。
如果想繼續(xù)加工離軸非球面鏡，再準(zhǔn)備其他的子體毛坯，重復(fù)步驟(3)和(4)。
在實施例中，所加工的離軸非球面是非球面的一部分，非球面的具體參數(shù)為
c^.00909mm.1 、 A=-2、爿4=3.07乂10陽7誰-3 、 J6;3.53xl()-u譲-5 、」8=-2.00xl0.15mm-7 、j10=-1.25xl0'19mm'9;離軸非球面在距離中心28.0mm處，口徑為20.0mm。按照設(shè)計計算，整個非球面母體的口徑為80.0mm。首先，按照設(shè)計尺寸對母體和子體分別進(jìn)行適當(dāng)粗加工，然后合成一體進(jìn)行非球面整體加工，并采用TalyorHobson的探針式形貌測量儀進(jìn)行非球面母線的形狀測量，按照專利中的補(bǔ)償加工流程進(jìn)行三次補(bǔ)償加工，三次補(bǔ)償加工后的面形精度(P-V值)分別為909.8nm、 457.0nm、 258.5nm。最終得到的離軸非球面部分的面形精度在200nm以內(nèi)，表面粗糙度Ra為6.1nm。
權(quán)利要求
1.一種提高離軸非球面鏡形狀精度和加工效率的方法，用于一次加工多個離軸非球面鏡，包括下列步驟a)根據(jù)待加工的離軸非球面鏡即子體的形狀和尺寸量，設(shè)計母體的回轉(zhuǎn)非球面和子母同體結(jié)構(gòu)，使所有子體分布于以母體的回轉(zhuǎn)非球面的主旋轉(zhuǎn)軸為中心，以離軸非球面中心偏移量ρ0為半徑的圓周上，確定一次加工離軸非球面子體的數(shù)量；b)根據(jù)步驟(1)確定的子體位置，在母體毛坯件上開挖通孔；c)把各個子體毛坯件置于通孔中，組合成圓柱型整體工件后，固定于車床上，在整體工件上加工出與所述回轉(zhuǎn)非球面的最接近的球面；d)按照所述回轉(zhuǎn)非球面的形狀產(chǎn)生刀具的加工路徑，利用超精密車床對所述的球面再加工，得到所需要的回轉(zhuǎn)非球面，同時實現(xiàn)對各個子體的離軸非球面的加工，在加工的同時，測量整體回轉(zhuǎn)非球面形狀，根據(jù)測量結(jié)果進(jìn)行形狀誤差分析和補(bǔ)償加工，直至離軸非球面的形狀精度滿足要求。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，若繼續(xù)加工離軸非球面鏡，再準(zhǔn)備其他的 子體毛坯，重復(fù)步驟(3)和(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述非球面母體的口徑<formula>formula see original document page 2</formula>， 其中A是離軸非球面中心坐標(biāo)，①為離軸非球面鏡的口徑， 一次加工離軸非球面子體的數(shù)量w:<formula>formula see original document page 2</formula>其中Ac/為子體之間的分布間隔,
全文摘要
本發(fā)明屬于光學(xué)器件制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種提高離軸非球面鏡形狀精度和加工效率的方法，包括(1)根據(jù)待加工的離軸非球面鏡即子體的形狀和尺寸量，設(shè)計母體的回轉(zhuǎn)非球面和子母同體結(jié)構(gòu)，確定一次加工離軸非球面子體的數(shù)量；(2)在母體毛坯件上開挖通孔；(3)把各個子體毛坯件置于通孔中，組合成圓柱型整體工件后，固定于車床上，在整體工件上加工出與所述回轉(zhuǎn)非球面的最接近的球面；(4)按照所述回轉(zhuǎn)非球面的形狀產(chǎn)生刀具的加工路徑，利用超精密車床對所述的球面再加工，并根據(jù)所測量的整體回轉(zhuǎn)非球面形狀，進(jìn)行形狀誤差分析和補(bǔ)償加工。本發(fā)明提出的方法簡單、易于實現(xiàn)，并具有高效、易分離、形狀精度高的特點，可實現(xiàn)高形狀精度離軸非球面高效加工。
文檔編號B23B5/00GK101670442SQ20091007052
公開日2010年3月17日 申請日期2009年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月22日
發(fā)明者張效棟, 房豐洲 申請人:天津大學(xué)