矩形口径离轴非球面在数控加工过程中的检测

　　1　引　言

　　目前,非球面光学元件越来越多地应用于光学系统,特别是在空间光学系统中应用地更多。与传统球面光学系统相比较,在保证系统成像质量的先决条件下,通过使用非球面元件可以减少系统所需光学表面的数量,进而减小光学系统的尺寸和重量。一般的非球面方程可用式(1)表示:

　　式中,C为顶点曲率;A1为二次非球面系数;A2,A3为高次非球面系数。

　　依据轻型宽覆盖相机的特点,为了达到大视场、高分辨力、体积小、重量轻,并能得到完美的成像质量的目的,光学系统采用离轴三反射镜消像散光学系统。该系统中的离轴三镜有:C=1/1 988.862,A1=0.143 102,外形尺寸为774 mm×207 mm,试验件所用材料为国产微晶玻璃。

　　由于离轴三镜的口径较大、非球面的偏离量较大、形状非圆对称,所以该反射镜的制造难度大,传统抛光法对它已不适合。因此采用计算机控制光学表面制造技术(CCOS)对其进行加工。

　　图1是用这种方法加工离轴非球面的工艺流程图。

　　按照加工余量最小的原则,在有效通光口径内,使非球面与最接近球面矢高差为正,且均方根值最小。笔者求解出了轻型宽覆盖相机第三镜的最接近球面半径为1 986 mm。因此,选取1 986 mm作为三镜初始球面半径。

　　首先用范成法将已轻量化的毛坯铣磨成半径为1 986 mm的球面,然后对其进行非球面研磨修改。从图1所示的离轴非球面加工的工艺流程图中可以看到,从非球面研磨修改到最后成品完成需要有研磨和抛光两个阶段的检测。检测在离轴非球面的制造过程中是极其重要的一个环节,其检测结果用于指导加工,并决定了非球面的最后抛光精度。下面分别对研磨和抛光两个阶段的检测方法进行阐述。

　　2　离轴非球面研磨的检测

　　2.1　离轴非球面的研磨

　　使用非球面数控加工中心—FSGJ-1对三镜坯料在球面基础上进行了非球面化的研磨修正。由于离轴三镜有效通光口径的几何形状为非圆对称的矩形,在研磨过程中为减少浮动研磨头沿矢高方向的行程,将三镜的子午方向旋转5°角,使其在边缘处的矢高基本相等,并按照图2的运动轨迹对矩形面进行研磨。

　　2.2　离轴非球面研磨阶段的检测

　　离轴非球面研磨阶段面形的检测采用的是轮廓测量法[1]。由于在离轴非球面检测中测头的运动方式不同于共轴非球面检测,系统误差对检测结果影响较大,笔者自行设计并制造了一台非球面面形测量仪。图3为非球面面形测量仪的原理示意图。

　　如图3所示,非球面面形测量仪采用双测头加标准平尺的结构。当测量仪表沿着导轨滑动对工件表面进行测量时,表上的两个测头分别作用到工件和标准平尺上,通过对两个表头的差分,实时地消除了测量系统误差,提高了精度。将非球面面形测量仪测得的离轴非球面面形的数据文件转化为研磨文件,并用它指导非球面加工机床对非球面面形的修磨。经过十几个周期的研磨,离轴非球面镜的面形精度如图4所示。