CN1444058A - 一种离轴抛物面镜的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种离轴抛物面镜的制造方法，其特征在于，包括下列步骤：制作镜坯；取一金属方形镜框，将镜坯装入镜框并封闭缝隙；在镜框一侧中央及镜坯的对应位置分别制作标记；抛光镜坯的初始球面；设置检测光路，调整方形镜框相对于平行光束的角度、位置，使镜面角度符合离轴量要求；用刀口阴影法检测镜面；根据二维刀口的阴影图，修磨镜面；重复检测和修磨，直至阴影图明暗均匀，即获得所需离轴抛物面镜。本发明实现了离轴抛物面镜的单件加工，因而不需制作母抛物面镜，极大地降低了加工成本，并能实现大口径及离轴量较大的离轴抛物面镜的加工。

Description

一种离轴抛物面镜的制造方法

                        技术领域

本发明涉及一种非球面制造技术，特别是一种离轴抛物面镜的加工方法。

                        背景技术

离轴抛物面镜是从旋转对称的抛物面镜中取用不包含对称轴的一个部分的镜面，由于它能以简单的面形产生高质量的无中心遮拦的平行光束，近年来逐渐成为一种应用较广的光学零件。

离轴抛物面镜由于失去了旋转对称性，无法按传统方法在磨镜机上加工磨制，通常认为，如果要对离轴抛物面镜作一定精度的单件加工，即将玻璃毛坯尺寸做到离轴抛物面所需要的口径后磨制，只有在运用计算机控制光学加工的技术成熟后才成为可能，也就是说，必须依赖于复杂的计算机控制的光学加工设备。因而，现在普遍采用的是挖切技术，即，先做一个大的旋转对称的抛物面(母抛物面镜)，再用套切工具挖出所需的部分。这种方法工艺上比较成熟，然而，由于母抛物面镜的尺寸要比所需的离轴抛物面镜大出很多，只能适用于口径在100毫米左右，离轴量也不大的镜子，而当口径在200毫米以上时，所需要的轴对称母抛物面镜口径往往要在500毫米以上，加工成本迅速上升，价格随尺寸的增大而急剧增加，甚至因母抛物面镜口径太大而无法加工。

                        发明内容

本发明目的是提供一种离轴抛物面镜的制造方法，不需要加工母抛物面镜，直接用手工磨制所需的离轴抛物面，从而实现对大口径离轴抛物面镜的加工。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种离轴抛物面镜的制造方法，包括下列步骤：

(1)确定口径和初始球面半径，制作镜坯；

离轴抛物面镜给出的主要参数是：口径、母抛物面焦距、离轴量(或离轴角)，根据所给参数，可以计算出离轴抛物面镜的初始曲率半径数值，镜面上最低区域的位置及最高区域的位置和磨去量。在参考资料《光学非球面的设计、加工与检验》(作者：潘君骅 科学出版社1994年版)的168至172页中，给出了相关的表示和计算方法。根据口径要求和计算获得的初始曲率半径，可以制作镜坯。

(2)取一金属方形镜框(外方内圆)，将镜坯装入镜框，镜面朝上，高出镜框表面2毫米至3毫米，镜坯与镜框间的间隙为0.3毫米至0.4毫米，在镜坯与镜框间四周***3片或4片透明塑料片，用密封材料封闭镜框与镜坯间的缝隙；

(3)在镜框一侧中央及镜坯的对应位置分别制作标记，该标记可以代表母抛物面轴线的方向，在离轴抛物面制造完成，从镜框取出后，是非常重要的一个标记；

(4)抛光镜坯的初始球面；

(5)设置检测光路，调整方形镜框相对于平行光束的角度、位置，使镜面角度符合离轴量要求；

(6)用刀口阴影法检测镜面；

(7)根据二维刀口的阴影图，修磨镜面；

(8)重复步骤6和7，直至阴影图明暗均匀，即获得所需离轴抛物面镜。

上述技术方案中，所述步骤2中的密封材料可以是医用白胶带，只需避免抛光液流入缝隙中即可。

上述技术方案中，所述步骤3为，在所述镜框的一侧中央刻一条线，并在镜坯边缘的对应位置也刻一记号。

上述技术方案中，所述步骤5中的离轴量调整方法为，方形镜框竖放在检验台面上，面向平行光管，使方形镜框相对平行光束有一偏转角，约为离轴角的一半，聚焦点偏出平行光束，在聚焦点处放置二维刀口，在平行光管的出口中央和方形镜框的正面各吊一垂线，从聚焦点观察镜面，平移方形镜框，使两垂线重合，在平行光路中近焦点处放置扁平标杆，使其从焦点处只能看到其厚度，刀口尖点至扁平标杆的垂距即为离轴量，转动方形镜框，使离轴量符合要求即可。

上述技术方案中，所述的扁平标杆为放置在小架上的钢片；所述扁平标杆厚0.8毫米至1.5毫米，宽15毫米至20毫米。

上述技术方案中，在修磨结束时，可以作定量检测，如不符合要求，则重复步骤6和7，至符合要求为止。

其中，所述的定量检测方法可以是弥散圆大小，可以是分辨率测定，也可以是干涉测量。如果指标是弥散圆大小，则直接用读数显微镜测量像斑大小，再除平行光管焦面上小孔经离轴抛物面镜成像的尺寸，所得结果即弥散圆尺寸；如果指标是按干涉条纹计，往往是λ/10～λ/20rms，则首先要做到读数显微镜观察时，平行光管小孔像的轮廓十分清楚；为了得到干涉数据，首先要用标准平面镜取代平行光管，要使平面镜表面严格垂直于原来的平行光束，做法是先用一束细的激光从二维刀口的尖点射向离轴抛物面镜的中心，经反射后射向平面镜的中心，调整平面镜的俯仰及方位转动，使激光束回到二维刀口的尖点，然后换上斐索型干涉仪，比较方便的办法是用数码相机拍摄干涉条纹，做事后处理，若用移相式干涉仪则要求整个试验在防震条件下进行。

在作离轴量调整前，如果图纸给出的是离轴角，则要换算成离轴量，扁平标杆在小架上的高度应高于离轴抛物面镜带框竖立在台面上以后的中心高，二维刀口可用一小块剃须刀片，磨成互成直角的两个锋口，其相交的尖点将来就指示出准确的离轴抛物面镜的焦点，二维刀口装在一个小的二维微调架上。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明实现了离轴抛物面镜的单件加工，因而不需制作母抛物面镜，极大地降低了加工成本，并能实现大口径及离轴量较大的离轴抛物面镜的加工；

2.由于本发明将待加工的镜坯置于金属方形镜框中，因而可以方便地在检测光路中调整和定位；

3.采用二维刀口的阴影图作修磨时修磨位置和修磨量的判断依据，仪器简单、操作调整方便，镜面误差较大时也能判断，同时，灵敏度在满足一定环境条件时不难达到λ/10～λ/20；

4.设置扁平标杆，使离轴量的测定方便、准确。

                         附图说明

附图1为本发明检测光路的示意图。

其中：[1]、镜框；[2]、镜坯；[3]、扁平标杆；[4]、二维刀口。

                        具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见附图1所示，采用本发明的制造方法制作一个离轴抛物面镜，口径为Ф＝420毫米、母抛物面焦距f₀＝5000毫米、离轴量H＝700毫米，包括下列步骤：

(1)制作镜坯；

(2)设计并加工一金属方形镜框1，将镜坯2装入镜框1，镜面朝上，高出镜框1表面2毫米至3毫米，镜坯2与镜框1间的间隙为0.3毫米至0.4毫米，沿镜坯四周等距离***4片厚度为0.10～0.15毫米的塑料片，用医用白胶带将缝隙周围封住，以免抛光液流入；在镜框1一侧中央刻一条线，顺着这条线，在镜坯2的高出镜框1的地方也刻一个记号；

(3)准备测量离轴量的扁平标杆3及二维刀口4，测离轴量的标杆是一片厚约1毫米，宽1520毫米的钢片，竖直在一个小架上，标杆的高度应高于离轴抛物面镜带框竖立在台面上以后的中心高，二维刀口4可用一小块剃须刀，磨成互成直角的两个锋口，其相交的尖点将来就指示出准确的离轴抛物面镜的焦点，二维刀口4应装在一个小的二维微调架上；

(4)抛光镜坯2的初始球面，若算出的应磨去量大于10微米，则在高出的区域先用302#砂适当磨掉一些，以减轻抛光改非球面的负担；

(5)调好检测光路，当初始球面抛亮，能有反射光后，连同方形镜框1竖放在检验台面上，面向平行光管，在平行光管的出口中央吊一垂线，在离轴抛物面镜的方形镜框正面也吊一垂线，方形镜框对平行光束而言有一偏转角，即离轴角的一半，大致设置这个角度，使离轴抛物面镜的聚焦点偏出平行光束；

(6)准确设置离轴量，在上一步得到的聚焦点上放置二维刀口(尖角)，可以用刀口上下、左右切两个方向的阴影图判断，这时，误差还很大，只能取一个最利于下一步修磨的位置，用眼睛观察镜面，可以看到上一步设置的两根垂线，若没有完全重合，应平移方形镜框，使之重合，然后将扁平标杆放到平行光路中去，靠近焦点处，并使之从焦点处看去只看到其厚度，也象一条线，与先前设置的两根垂线重合，这时就可以用钢尺或预先准备好的长度等于离轴量的专用尺去量刀口尖点到扁平标杆的距离，若不符合要求的离轴量，则需转动方形镜框，直到得到正确的离轴量；

(7)根据二维刀口看到的阴影图，决定修磨镜面的步骤，如果初始球面的曲率半径偏差太大，则应修正曲率半径，离轴抛物面镜的焦距可以用尺测量近轴点及远轴点到焦点的距离，再用公式计算，面形误在阴影图上的反映是局部的明暗对比，对比愈强烈，误差愈大，随着修磨的进展，阴影图看上去愈明暗均匀；

(8)结束修磨工作。

经上述步骤后，获得了Φ＝420、f₀＝5000毫米、H＝700毫米的离轴抛物面镜，其精度，用干涉测量面形误差达到了小于λ/20rms的技术指标要求。

Claims (8)

1.一种离轴抛物面镜的制造方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)确定口径和初始球面半径，制作镜坯；

(2)取一金属方形镜框[1]，将镜坯[2]装入镜框[1]，镜面朝上，高出镜框[1]表面至少2毫米，镜坯[2]与镜框[1]间设有间隙，用密封材料封闭镜框[1]与镜坯[2]间的缝隙；

(3)在镜框[1]一侧中央及镜坯[2]的对应位置分别制作标记；

(4)抛光镜坯[2]的初始球面；

(5)设置检测光路，调整方形镜框[1]相对于平行光束的角度、位置，使镜面角度符合离轴量要求；

(6)用刀口阴影法检测镜面；

(7)根据二维刀口的阴影图，修磨镜面；

(8)重复步骤6和7，直至阴影图明暗均匀，即获得所需离轴抛物面镜。

2.如权利要求1所述的离轴抛物面镜的制造方法，其特征在于：所述步骤2中的密封材料为医用白胶带。

3.如权利要求1所述的离轴抛物面镜的制造方法，其特征在于：所述步骤3为，在所述镜框[1]的一侧中央刻一条线，并在镜坯[2]边缘的对应位置也刻一记号。

4.如权利要求1所述的离轴抛物面镜的制造方法，其特征在于：所述步骤5中的离轴量调整方法为，方形镜框[1]竖放在检验台面上，面向平行光管，使方形镜框[1]相对平行光束有一偏转角，为离轴角的一半，聚焦点偏出平行光束，在聚焦点处放置二维刀口[4]，在平行光管的出口中央和方形镜框[1]的正面各吊一垂线，从聚焦点观察镜面，平移方形镜框[1]，使两垂线重合，在平行光路中近焦点处放置扁平标杆[3]，使其从焦点处只能看到其厚度，刀口尖点至扁平标杆[3]的垂距即为离轴量，转动方形镜框[1]，使离轴量符合要求即可。

5.如权利要求4所述的离轴抛物面镜的制造方法，其特征在于：所述的扁平标杆[3]为放置在小架上的钢片。

6.如权利要求5所述的离轴抛物面镜的制造方法，其特征在于：所述扁平标杆[3]厚0.8毫米至1.5毫米，宽15毫米至20毫米。

7.如权利要求1所述的离轴抛物面镜的制造方法，其特征在于：在修磨结束时，可以作定量检测，如不符合要求，则重复步骤6和7，至符合要求为止。

8.如权利要求7所述的离轴抛物面镜的制造方法，其特征在于：所述的定量检测方法可以是弥散圆大小，可以是分辨率测定，也可以是干涉测量。

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