高陡度非球面光学元件加工技术研究

　　0　引言

　　随着现代航空航天及武器系统技术的发展,一些特殊的光学系统在满足自身光学功能的同时,还希望能够与系统的外形和结构相结合,从而满足空气动力学等非光学要求,达到提升和优化系统综合性能的目的[1]。此类光学元件通常具有高陡度非球面特性和流线外形,以明显改善空气动力学性能,但其高陡度非球面的外形特征给加工制造带来巨大挑战[2]。

　　国外自20世纪90年代开始研究高陡度非球面元件,美国多家科研机构和大学开展相关研究计划[3],其中包括罗彻斯特大学光学制造中心,雷神公司,波音公司等实力雄厚的科研技术单位。重点研究高陡度非球面元件设计、加工制造和检测技术。国内目前相关领域研究还处于起步阶段,在设计和检测方面开展了一定的研究[4-6],在加工技术方面由于所涉及的技术领域较多,因此需要在借鉴国外研究经验的基础上,同时与国内相关技术领域开展紧密的合作研究。高陡度非球面光学元件从材料和毛坯成形到精加工手段,都与传统的光学加工有很大区别。其中包含红外晶体材料制备,化学气相沉积[7](CVD),热压成形,确定性微研磨(DMG)成形[8],单点金刚石车削[1]及磁流变抛光和磁射流抛光[9]等众多先进制造技术。本文分析讨论高陡度非球面光学元件的形状特点和典型高陡度非球面光学元件的加工制造技术,对其关键技术路线和工艺做出相应分析和讨论,对凹面加工等难点问题提出相应的解决思路。

　　1　高陡度非球面光学元件的外形参数及特点

　　1.1　高陡度非球面光学元件外形特点

　　高陡度非球面元件和传统的球面元件相比,最直观的区别就是球面被拉长了。长径比(aspect ratio或fineness ratio)即轴向长度和直径之比是用来反映其外形特征的一个重要参数。传统球面镜长径比通常小于0.5,而高陡度非球面长径比范围通常在1~3或者更高。图1显示了不同长径比与其形状的关系。

　　1.2　高陡度非球面的设计及相关参数选取

　　可以通过二次或高次多项式曲线、指数函数和贝塞尔样条等经过轴向旋转扫描来构造[2]高陡度元件,其中以圆锥曲线构造的二次曲面较为常用。下面以圆锥曲面为例来构造高陡度非球面并进行其特征参数的选定。典型的圆锥曲线表达式为[10]:

　　式中:z为轴向坐标;y为径向坐标; c为顶点曲率半径;k为圆锥系数, k=-e², e为偏心率,其取值决定了曲线是椭圆、抛物线还是双曲线。只要确定顶点曲率半径c和圆锥系数k就能唯一确定该圆锥曲面。实际设计当中通常是给出直径D,底面角度θ,还有长径比β,如图2所示。