关于变倍透镜加工工艺的研究

　　前言

　　光电雷达与脉冲多普勒雷达一起组成了机载火力控制系统的目标探测分系统，成为现代先进战机不可缺少的机载无源探测设备，是战斗机中负责目标红外跟踪及探测的关键机载设备。其中的变倍透镜是决定光电雷达红外性能的重要部件。光电雷达的红外工作波段为 3μm ～5μm ，单晶锗 Ge和氟化钙 CaF2 属于在此波段透光的晶体材料，它们具有在整个可见光及红外波段都能透过且低色散( 1.6μm 处仅 0.0046)等优势，国外有的机型便选用其作为透镜材料。

　　金刚石车削技术早期主要用来加工有色金属如元氧铀或铝合金等，其主要产品是各种光学系统中的反射镜，上世纪 80年代得以推广应用。它是在超精密数控车床上，采用天然单晶金刚石刀具，在对机床和加工环境进行精确控制条件下，直接利用金刚石刀具单点车削加工出符合光学质量要求的非球面光学零件。计算机数控单点金刚石车削技术与镀硬碳膜工艺和环氧树脂复制技术相结合，可生产较为便宜的精密非球面反射镜和透镜。

　　金刚石车削机床( Single PointDiam ond Turning)属于高精密机床，机床的主轴精度和溜板运动精度比一般的机床要高出几个数量级，主轴轴承和溜板导轨通常采用空气轴承和油压静力支承结构，机床运动部件的相对位置采用激光位移测量装置测定。在工件加工的整个过程中，采用激光干涉仪测量工件的面形误差。车床上装有反馈装置，可以补偿运动误差。但?金刚石车床的价格十分昂贵，而且还不断提高。

　　1 变倍透镜零件的特点

　　变倍透镜的材料是单晶锗 Ge，外形尺寸为 !67.5m m ，零件图如图 1。

　　加工时对材料的要求是：△nD=1×10-4，△vD=1×10-5,光学均匀性为 2，光吸收系数 =2×10-2cm -1,透过率 >46%，电阻率 =5～30Ω·cm ,导电类型为 N。

　　光学方面对零件的要求是：抛光后的面形精度用 φ64m m的样板检测为 N=3，ΔN=0.3，面倾角 χ=0.4′，表面疵病等级B=Ⅳ，即零件表面的麻点尺寸为 0.01m m ～0.5m m ，擦痕宽度为0.006m m ～0.05m m 。

　　2 加工设备简介

　　英国的 Tarle/r H obson—Pneum o 公司在世界超精密机床面 是 较 负 有 盛 名 的 ， 该 公 司 批 量 生 产 Nanoform 250，Nanoform 300,Nanoform 350 等型号超精密车床，产品占据了国际超精密加工很大部分应用市场，是技术领先的产品，在单晶锗 变 倍 透 镜 加 工 中 的 镜 面 车 工 艺 就 选 用 了 该 设 备 。Nanoform 250 车床系统具有高刚性、高阻尼和高稳定性的液体静压支承滑台，采用空气静压主轴，其径向刚度、轴向刚度分别为 88 N/μm 和 62N/μm ，径向、轴向运动精度 均 达0.05μm 。采用液体静压导轨，其水平直线度和垂直直线度分别为0.2μm/ 250 m m 和 0.5μm/ 250 m m ，定位精度为0.3μm/ 250 m m 。数控系统采用 Nanopath，分辨率 为0.001μm 。测量反馈系统采用光栅尺或激光干涉仪。分辨率分别为 8.6 nm 和 1.25nm 。加工面形精度达 0.2μm ，表面粗糙度及 n<0.01μm ，如图 2。目前镜面车加工过程中采用的测量方法有接触式和非接触式测量法两种,接触式测量法即使测量头和加工表面接触,然后通过扫描的方式检查工件的表面形状和光洁度?以前这种方法测量存在两个问题:第一个问题是测量力的问题,因为接触产生摩擦,摩擦产生力,力导致变形,进而影响精度,如何降低测量力並維持安定的測量是目前的一个主要问题;第二个问题是如何减小测量对象形状对测量的影响，在变倍透镜的镜面车加工中，采用非接触式测量法。TalysurfCCI白光干涉表面轮廓仪即 TalysurfCCI三维非接触形貌仪是 Tarle/r H obson—Pneum o公司采用 CC(I 专利技术的相位相干算法)干涉原理生产的，可高精度测量表面形貌、表面粗糙度及关键尺寸，并计算关键部位的面积和体积。主要应用于数据存储器件，半导体器件，光学加工以及 M EM S/M OEM S 技术以及材料分析领域。它的主要技术参数有：(1)类型：CCI干涉( 相位相干干涉);(2)测量量程：100!m( 可选 400"m);(3)分辨率：0.1 A—在 100#m 量程范围内 ;(4)RM S 重复性：0.03A (3pm );(5)垂直扫描速度：7$m/s;(6)测量点数：1,048,576 (1024 x 1024 点阵 );(7)X Y 轴测量范围：0.36 – 7.2 m m (8)X Y 轴分辨率：0.36%m ;(9)台阶高度的重复性：0.1 nm( 25nm);(10)Z 轴的线性度：0.03% 的测量值;(11)系统噪音：0.5A，加工中使用了该轮廓仪进行零件测量，如图 3。