大数值孔径、高次非球面透镜的加工与检验

　　1　引　言

　　随着高精度非球面光学元件在光学系统中的广泛应用,非球面的加工和检测技术也受到了越来越广泛的重视。小磨头数控光学表面成型技术(CCOS,Computer Controlled Optical Surfacing)是非球面加工技术的一个重要分支。该技术起源于70年代美国的Itek公司[1~3],其工作原理是根据定量的检测数据,通过计算机控制一个小磨头(通常小于被加工工件口径的1/4)相对于工件的压力、速度和驻留时间等工艺参数,使工件的面形误差逐步收敛,最终实现对非球面的加工。可见,CCOS技术的应用基础是对光学元件的定量检测结果。非球面检验既是其加工的前提条件,又是其最终的评价标准.目前比较常用的非球面检测技术主要包括无像差点法、补偿检验法、轮廓测量法[4]等。

　　本文描述的高次非球面表面,主要采用CCOS技术进行加工;在研磨阶段,使用自行研制的非球面轮廓测量仪进行检验;在抛光阶段采用补偿检验法利用ZYGO数字波面干涉仪进行检验。加工的最终面形精度优于1个波长(632·8nm)P-V值,满足了设计要求。

　　2　非球面镜的主要技术参数

　　对于以z为轴的旋转曲面形成的非球面光学表面,通常采用下面的方程[5]来描述

　　式中S2= x2+y2;c =1/r,r为顶点曲率半径;k为二次项常数;A1,A2,A3,A4为高次非球面偏离系数。本文中描述的高次非球面透镜,为弯月形透镜,其凸面为球面,凹面为高次非球面。非球面有效通光口径D为154mm,顶点曲率半径r为375.62mm,二次项常数k等于0,高次项系数A1等于1.5×10-8,A2等于-3.6×10-19,其余系数为0。经计算,

　　该非球面与其最接近球面的偏差及分布如图1所示,图中横坐标表示镜面坐标,纵轴表示非球面偏离量。

　　3　非球面镜加工工艺流程

　　本文中的非球面镜加工的工艺流程(图2)是根据CCOS技术的要求制定的。

　　非球面加工从最接近球面开始。在完成最接近球面的加工后,先使用非球面轮廓测量仪进行面形测量,然后根据获得的检验结果生成加工文件,再使用FSGJ-1非球面数控加工中心进行研磨。在研磨阶段面形精度达到要求以后,对非球面表面进行抛光,并使用ZYGO数字波面干涉仪进行零位补偿检验,然后根据检验结果生成加工文件,使用FSGJ-1非球面加工中心进行抛光,直到达到要求精度为止。

　　从这个工艺流程中可以看出,非球面的CCOS制造技术是检验和加工过程的往复,加工精度和效率一方面取决于加工数控模型的有效程度和加工设备及工艺水平,另一方面取决于检验仪器和数据处理软件的精确程度。

　　4　加工过程中的非球面检验