CN101382608B - 180°大跨距秒级光轴平行度角镜的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种180°大跨距秒级光轴平行度角镜的制作方法，该方法的实质内容是，通过常规光学零件加工工艺保证角镜托板的两个端面的面形要求以及这两个端面之间的平行性精度；采用常规光学零件加工工艺加工两个平面反射镜，并分别将两个反射镜反射面的部分区域以光胶方式粘结在角镜托板的两个端面上，从而构成角镜。本发明的角镜制作方法不但制作过程相对简单且缩短了角镜的制作周期，更突出的是，该方法易于保证角镜出射光轴和入射光轴之间的秒级平行度要求且角镜的光胶强度好、质量可靠。

Description

180°大跨距秒级光轴平行度角镜的制作方法

技术领域

本发明属于光学冷加工技术领域，主要涉及一种角镜的制作方法，尤其涉及一种大跨距秒级光轴平行度角镜的制作方法。

背景技术

众所周知，在综合光学仪器中，为了节省空间并进行合理的结构配置，通常需对光学***的光路进行折转，具体的折转角度要根据仪器的具体设计而定。实现光路折转90°的光学元件一般采用等腰直角棱镜、45°放置的平面反射镜，实现90°以上的光路折转，一般是通过多个平面反射镜或多个棱镜粘结在一个共用托板上构成的角镜实现的。传统的180°角镜制作方法是，首先，将第一平面反射镜(或第一棱镜)的一侧毛面用光学环氧树脂胶粘结在托板的第一大面上，并在为期8h的初固化过程中按照1次/30min监控并调节第一平面反射镜与托板的垂直度，即最终保证第一平面反射镜的反射面与角镜托板的第一大面的垂直度在90°±10″范围内，接着是为期24h的后固化过程；第二，将第二平面反射镜按设计位置尺寸、精度及光路方向用光学环氧树脂胶也粘结在托板的第一大面上，并在为期8h的初固化过程中按照1次/30min监控并调节第二平面反射镜与第一平面反射镜的光轴平行性，最终保证第二平面反射镜与第一平面反射镜的出、入射光轴平行差达到图纸的精度要求后进行为期24h的后固化过程。

目前，我国在研的机载光电稳瞄转塔配备了一台地面光轴检测仪，以便可以方便的对其各光学传感器的光轴平行性进行定期检测、校准。由于光电稳瞄转塔中各光电传感器光轴之间的跨距较大，而且平行性要求很高，因此该光轴检测仪采用了180°大跨距秒级光轴平行度角镜，同时该角镜的结构形式也与以往的角镜有所不同(参见图1)，其托板长度方向的两个端面A、B相互平行且与长度方向的轴线成45°角，托板宽度方向的两个侧面为折线形，两个端面A、B的水平中心距离为220.86mm，同时要求第一、第二平面反射镜1、2反射面的下部分别粘结在托板3的两个端面A、B上，角镜的出射光轴和入射光轴的垂直距离为316.95mm，两光轴的平行度要求为10″。如果仍采用传统的角镜制作方法来制作该角镜，会带来以下问题：(1)由于托板3两端面A、B的水平中心距离较大，而且这两个端面的尺寸只有40mm×20mm，因此在托板的粗磨阶段无法检测和控制这两个端面A、B的平行性达到秒级精度，更无法保证这两个端面A、B与托板3大面的垂直度；(2)为了保证高精度的平行度要求，在胶合过程中，必须对托板3的两个端面进行精磨，同时还要修改两个端面A、B分别与托板3大面的水平和垂直方向的偏差，而这个偏差量不易控制，给实际操作带来困难，而且也不利于第一、第二平面反射镜1、2表面疵病的控制；(3)第一、第二平面反射镜1、2与托板3之间采用光学环氧树脂胶胶合，不仅需要30多个小时的固化时间，而且在调试光轴平行性时，不能对角镜进行局部加温，导致角镜制作周期长，此外，对不满足平行度要求的角镜则需进行拆胶，而拆胶易发生各光学元件报废的问题。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是，针对现有技术存在的不足，提供一种制作180°大跨距秒级光轴平行度角镜的制作方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的角镜制作方法包括以下工艺步骤：

第一步，用常规光学零件加工工艺加工第一、第二平面反射镜并使两者达到图纸标示的精度指标后备用；

第二步，将两块长方形托板坯料对齐粘结后，再粘结模板，并按模板形状将所述粘结后的长方形托板坯料加工成型即成为一个托板组合件后取下模板；

第三步，将托板组合件宽度方向的一个折线形侧面粘结在胶模上，并使托板组合件长度方向第一端面的几何中心与胶模的转动轴线重合，采用常规光学零件加工工艺对所述第一端面进行精磨、抛光，直到所述第一端面的面形精度达到指标要求后取下胶模；

第四步，将托板组合件宽度方向的另一个折线形侧面粘结在所述胶模上，并使托板组合件长度方向第二端面的几何中心与胶模的转动轴线重合，采用常规光学零件加工工艺对所述第二端面进行精磨、检测、修磨，直到所述第二端面与所述第一端面的平行差达到30″以内；

第五步，采用常规光学零件加工工艺对所述第二端面进行抛光、检测、修抛，直到所述第二端面与所述第一端面的平行差达到5″以内且所述第二端面的面形精度达到指标要求后取下胶模；

第六步，给托板组合件加热并将其拆成两个独立的托板并清洗干净，在超净工作台上分别将备用第一、第二平面反射镜反射面的光胶部位直接贴合到单个托板的第一、第二端面上，由此得到了一个完整的角镜。

在第四步骤、第五步骤分别对所述托板组合件进行的精磨、抛光工艺中，用两个光电准直仪和两端面均抛光的光学平板玻璃随时对所述托板第二端面与第一端面的平行度进行检测，光学平板玻璃的口径大于所述托板第一、第二端面的水平中心距离，其具体检测步骤为，使第一光电准直仪位于光学平板玻璃径向一端的上方且与光学平板玻璃自准直，同时使第二光电准直仪位于光学平板玻璃径向另一端的下方且与光学平板玻璃自准直，并分别将光学平板玻璃的自准直像调整到第一、第二光电准直仪的基准位置；把两面抛光的光学玻璃片用水浮粘在带有胶模托板组合件第二端面的几何中心，并用该托板组合件替换自准直光路中的光学平板玻璃后，使所述托板组合件的第一端面与所述第一光电准直仪实现自准直，且使第一端面的自准直像位于第一光电准直仪的基准位置处；在第二光电自准直仪的视场里间接观测该托板组合件第二端面的自准直像，并将第二端面的自准直像与第二光电准直仪基准位置的偏差量及偏差方向标记在所述第二端面的相应位置上。

根据本发明，所述的光学平板玻璃的口径为Φ250mm，平行差为2″；所述第一、第二光电准直仪的精度均为1″；所述光学玻璃片的口径为Φ15mm，平行差为5″。

本发明的有益效果体现在以下几个方面。

(一)本发明的总体思路是，通过相应的工艺过程保证托板两个端面的面形要求，同时使两个端面之间的平行度精度优于角镜出射光轴和入射光轴的平行度指标要求，然后将两个满足指标要求的平面反射镜以光胶方式粘结在托板的两个端面上，从而构成角镜。本发明为长跨距高精度角镜的制作开辟了一条新途径，具有较强的实用性和推广性。

(二)本发明在制作角镜过程中，先将两个长方形托板坯料粘结后再上模板成型，并在后续的磨抛工艺中，始终将两个托板作为一个整体进行加工，由此，托板组合件的两个端面就要比单个托板的两个端面的面积增大一倍，这有利于两个端面的精磨、抛光和检测，并可较容易地实现对第二端面的修模、修抛等工序操作，最终使两个端面达到所要求的平行度指标。

(三)本发明在托板与平面反射镜的胶合工艺中，摒弃了传统的光学环氧树脂胶，而是采用光胶法进行胶合，即依靠分子间的吸引力，使两个平面反射镜的抛光部位分别紧密贴合在托板的两个抛光端面上。采用光胶法不仅可以节省光学环氧树脂胶所需的大量固化时间，提高了生产效率，更重要的是，易于保证角镜出射光轴和入射光轴的平行性精度；同时经高、低温试验进一步验证后的结果表明，角镜的平行度指标以及光胶层的强度都满足要求，因此说，本发明提供的制作方法可以很好地保证角镜的质量及精度。

附图说明

图1是地面光轴检测仪用大跨距角镜的结构示意图。

图2是图1中所示两个平面反射镜的示意图。

图3是加工托板组合件的铝材模板结构示意图。

图4是托板组合件专用胶模的结构示意图。

图5是托板组合件上胶模后的示意图。

图6是检测托板组合件两端面平行度的光学设备及检测原理图。

图7是托板组件两端面平行度的检测光路示意图。

图8是检测角镜出射光轴与入射光轴平行度的光学设备及检测原理图。

图9是角镜出射光轴与入射光轴平行度的检测光路示意图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

本发明优选实施例的角镜制作方法包括以下加工和检验步骤。

第一步，根据图纸要求，采用常规光学零件加工工艺加工第一、第二平面反射镜1、2。第一、第二平面反射镜1、2的材料均为石英玻璃，反射面尺寸为40mm×60mm，厚度为20mm(参见图2)。面形精度指标为：N≤0.5ΔN≤0.2B≤III。

第二步，采用石英玻璃按常规流程下料、坯平、磨方后形成托板3的长方形坯件，将两件相同的长方形坯件和铝材模板4(参见图3)放在电热板上预热到75℃±5℃。然后，将两个长方形坯件的大面用滚圆胶均匀粘结在一起并使两个长方形坯件的四周对齐，之后将铝材模板4的一面粘结在其中一个长方形坯件的大面中央，并自然冷却。再根据铝材模板4形状将两个长方形坯件加工成型即成为托板组合件后取下铝材模板4。

第三步，将托板组合件一侧的折线面上涂漆，漆干后点柏油点，要求柏油点均布排列。在专用胶模5(参见图4)加热到50℃±5℃时，将托板组合件置于专用胶模5上并自然冷却(参见图5)，同时使托板组合件第一端面A的几何中心与专用胶模5的转动轴线即内螺孔轴线重合且偏差≤0.1mm。由于托板组合件的两个侧面为折线形，所以需要配置带有折线形状的专用胶模5，这样，可以很好的解决托板组合件上盘后的安全性及胶层均匀性的难题。然后，采用常规光学零件加工工艺对托板组合件的第一端面A进行精磨、抛光，当其面形达到N≤0.5ΔN≤0.2B≤III的精度指标后取下专用胶模5。

第四步，将托板组合件另一侧的折线面上涂漆，漆干后点柏油点，要求柏油点均布排列。在专用胶模5加热到50℃±5℃时，将托板组合件放置于专用胶模5上并自然冷却，同时使第二端面B的几何中心与专用胶模5的转动轴线即内螺孔轴线重合且偏差≤0.1mm。直接用303#金刚砂精磨托板组合件的第二端面B，并用平面样板控制其面形，用哈气法控制其面形为低光圈，且要求第二端面B与样板表面接触部分达到2/3以上；在精磨过程中随时对第二端面B与第一端面A的平行度进行检验，检验工具为精度为1″的两个光电准直仪7、8以及两端面均抛光的光学平板玻璃6，光学平板玻璃的口径必须大于托板第一、第二端面A、B的水平中心距离，在本实施例中，光学平板玻璃6的口径为Φ250mm，面形精度N₁＝-1，N₂＝+1，平行差2″。具体检测步骤为：使第一光电准直仪7位于光学平板玻璃6径向一端的上方且与光学平板玻璃6自准直，同时使第二光电准直仪8位于光学平板玻璃径向另一端的下方且与光学平板玻璃自准直，并分别将光学平板玻璃6的自准直像调整到第一、第二光电准直仪的基准位置(参见图6)；将一口径为Φ15mm、平行差为5″且两面均已抛光的K9玻璃片用水浮粘在带有专用胶模5托板组合件第二端面B的几何中心，并用该托板组合件替换自准直光路中的光学平板玻璃6后，使托板组合件的第一端面A与第一光电准直仪7实现自准直，且使第一端面A的自准直像位于第一光电准直仪7的基准位置处(参见图7)；在第二光电自准直仪8的视场里间接观测该托板组合件第二端面B的自准直像，并将该自准直像与第二光电准直仪8基准位置的偏差量及偏差方向标记在第二端面B的相应位置上。检测之后，根据标记位置采用小平模或加负荷的方法修磨托板组合件的第二端面B，记录修改偏差量、所用的时间及主轴转速度等加工参数，以便二次修磨时参考。此后，不断检测不断修磨，直至托板组合件第二端面B的自准直像与第二光电准直仪8的基准位置偏差≤30″。

第五步，用氧化铈抛光粉对托板组合件的第二端面B粗抛5～10min，使第二端面B达到目视表面毛毛亮的程度后，按照图7所示的光路对托板组合件进行平行度检测，其检测步骤与第四步中的检测步骤相同。检测之后，按标记位置采用手工或小平模、加负荷的方法修抛托板组合件的第二端面B，记录修改偏差量、所用的时间及主轴转速度等加工参数，以便二次修抛时参考。此后，不断检测不断修抛，直至托板组合件的第二端面B的自准像与第二光电准直仪8的基准位置偏差≤5″；同时还要使第二端面B的面形达到N≤0.5ΔN≤0.2B≤III的精度指标，之后取下专用胶模5。

第六步，将托板组合件放置在电热板上预热，待滚圆胶熔化后可将托板组合件分成两个独立的托板3并在室温条件下用汽油溶剂清洗托板3。此后，先用醇醚混合液清擦第一平面反射镜1的光胶部位和托板3的第一端面A，并用6^X放大镜观察擦拭面，要求无水印、油等污物；再将第一平面反射镜1与托板3放置在超净工作台上，按图纸要求的位置，使第一平面反射镜1的光胶部位直接贴合到托板3的第一端面A上，这种胶合方式称为光胶粘结；光胶粘结后仍需用6^X放大镜观察光胶面，要求光胶面不能有异物、白点等脏物，否则需重擦，重胶，以增强光胶的牢固性及保证平行差精度。采用上述步骤再将第二平面反射镜2的光胶部位直接贴合到托板3的第二端面B并进行相应的检查直至合格。由此得到了一个完整的角镜10。

第七步，采用精度1″的第一光电自准直仪7(或第二光电自准直仪8)及高精度平面反射镜9对角镜10的入射光轴和出射光轴之间的平行性度进行检测。高精度平面反射镜9的口径要大于角镜10的出射光轴和入射光轴的垂直距离，在本实施例中，高精度平面反射镜9的口径为Φ450mm，面形精度N＝-2。具体检测步骤为，使高精度平面反射镜9与第一光电自准直仪7实现自准直并使高精度平面反射镜的自准直像位于第一光电自准直仪7的基准位置(参见图8)；用角镜10替代图8中的高精度平面反射镜9而构成图9所示的检测光路，通过转动角镜10在第一光电自准直仪7的视场里直接观测角镜10的自准直像与基准位置的偏差，光轴平行差达到8″的角镜10视为合格产品，由此完成了角镜10的全部制作过程。

采用低温-10℃并保温4h，然后按一定频率递增至40℃并保温4h的环境试验条件对采用本发明制作的合格角镜10进行了一个周期的低温和高温环境试验，并在试验后将角镜10置于图9所示的光路中检测，复查角镜10的出射光轴与入射光轴之间的平行差仍为8″；同时目视复查角镜10的外观无破裂、崩边现象；并通过6^X放大镜检查光胶面，未发现有脱胶的现象。

Claims (3)

1.一种180°大跨距秒级光轴平行度角镜制作方法，其特征在于：该制作方法包括以下工艺步骤：

第一步，用常规光学零件加工工艺加工第一、第二平面反射镜[1、2]并使两者达到图纸标示的精度指标后备用；

第二步，将两块长方形托板坯料对齐粘结后，再粘结模板，并按模板形状将所述粘结后的长方形托板坯料加工成型即成为一个托板组合件后取下模板；

第三步，将托板组合件宽度方向的一个折线形侧面粘结在胶模上，并使托板组合件长度方向第一端面[A]的几何中心与胶模的转动轴线重合，采用常规光学零件加工工艺对所述第一端面[A]进行精磨、抛光，直到所述第一端面[A]的面形精度达到指标要求后取下胶模；

第四步，将托板组合件宽度方向的另一个折线形侧面粘结在所述胶模上，并使托板组合件长度方向第二端面[B]的几何中心与胶模的转动轴线重合，采用常规光学零件加工工艺对所述第二端面[B]进行精磨、检测、修磨，直到所述第二端面[B]与所述第一端面[A]的平行差达到30″以内；

第五步，采用常规光学零件加工工艺对所述第二端面[B]进行抛光、检测、修抛，直到所述第二端面[B]与所述第一端面[A]的平行差达到5″以内且所述第二端面[B]的面形精度达到指标要求后取下胶模；

第六步，给托板组合件加热并将其拆成两个独立的托板并清洗干净，在超净工作台上分别将备用第一、第二平面反射镜[1、2]反射面的光胶部位直接贴合到单个托板的第一、第二端面[A、B]上，由此得到了一个完整的角镜。

2.根据权利要求1所述的180°大跨距秒级光轴平行度角镜制作方法，其特征在于：在所述第四步骤的托板组合件精磨工艺和在所述第五步骤的托板组合件抛光工艺中，用两个光电准直仪[7、8]和两端面均抛光的光学平板玻璃[6]随时对所述托板第二端面[B]与第一端面[A]的平行度进行检测，光学平板玻璃[6]的口径大于所述托板第一、第二端面[A、B]的水平中心距离，其具体检测步骤为，使第一光电准直仪[7]位于光学平板玻璃[6]径向一端的上方且与光学平板玻璃[6]自准直，同时使第二光电准直仪[8]位于光学平板玻璃[6]径向另一端的下方且与光学平板玻璃[6]自准直，并分别将光学平板玻璃[6]的自准直像调整到第一、第二光电准直仪[7、8]的基准位置；把两面抛光的光学玻璃片用水浮粘在带有胶模托板组合件第二端面[B]的几何中心，并用该托板组合件替换自准直光路中的光学平板玻璃[6]后，使所述托板组合件的第一端面[A]与所述第一光电准直仪[7]实现自准直，且使第一端面[A]的自准直像位于第一光电准直仪[7]的基准位置处；在第二光电自准直仪[8]的视场里间接观测该托板组合件第二端面[B]的自准直像，并将第二端面[B]的自准直像与第二光电准直仪[8]基准位置的偏差量及偏差方向标记在所述第二端面[B]的相应位置上。

3.根据权利要求2所述的180°大跨距秒级光轴平行度角镜制作方法，其特征在于：所述的光学平板玻璃[6]的口径为Φ250mm，平行差为2″；所述第一、第二光电准直仪[7、8]的精度均为1″；所述光学玻璃片的口径为Φ15mm，平行差为5″。

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