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CN111451932B - 大口径异形平面元件光学加工夹具及加工方法 - Google Patents

大口径异形平面元件光学加工夹具及加工方法 Download PDF

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Abstract

一种大口径异形平面光学元件的加工夹具及加工方法，光学加工夹具包括大理石环、套杆、圆形转接、全螺纹螺丝、滚轮、长杆、光学元件、铁饼、周边通孔、中间通孔、铁笔座、大理石板、螺纹孔和蜡盘。本发明对大口径异形平面光学元件进行加工，获得了高精度大口径异形平面光学元件：透射面形λ/2，平行度2″。本发明工艺简单，具有可加工光学元件范围广、生产成本低和效率高的特点。

Description

大口径异形平面元件光学加工夹具及加工方法
技术领域
本发明涉及大口径异形平面元件光学加工领域，尤其是大口径异形平面元件光学加工夹具及加工方法。
背景技术
异形光学元件是指外形形状既非中心对称又非轴对称的光学元件，此类光学元件的几何中心和重心不重合，在光学加工过程中，在加工中通常会出现由于应力应变、温度变化及其他外力影响而引起像散，达不到设计的面形精度要求。
平面光学元件的直径(或边长)与厚度之比大于15:1的，在光学加工上一般称为薄形平面元件，直径与厚度比越大，面形精度要求高的元件变形就越大，加工难度就更大。
针对大口径异形平面光学元件的加工，传统的加工方法是一是采用单面研抛工艺，先将元件B面点胶上盘，A面加工完成后再将A面点胶上盘，加工B面，此方法透射面形无法在加工过程中检测，下盘后容易变形，难以实现高面形精度加工；另一种采用的是双面抛工艺，此方法对设备的依赖性较大，对尺寸超过300mm以上的大口径元件难以实现应用。
发明内容
本发明提出一种大口径异形平面元件光学加工夹具及加工方法，该光学加工夹具采用与光学元件同样尺寸的大理石板，单轴机顶针位置为重心位置，均匀受力，大大提高了平行度精度，在单轴机上采用大理石环结构，起到修形的作用，保证了面形精度。该加工方法可以有效地提高大口径异形平面光学元件加工精度，制造出高精度大口径异形平面光学元件：透射面形λ/2，平行度2″。
结合了单轴机的灵活与双面抛的修形，有效地控制光学元件的加工精度，制造出高精度大口径异形平面光学元件：透射面形λ/2，平行度2″。本发明工艺简单，可加工元件范围广，生产成本低，效率高。
本发明的技术解决方案如下：
一种大口径异形平面元件光学加工夹具，其特点在于该夹具包括大理石环、套杆、圆形转接、全螺纹螺丝、滚轮、长杆、光学元件、铁饼、周边通孔、中间通孔、铁笔座、大理石板、螺纹孔和蜡盘，
所述的蜡盘为抛光盘，表面平整度为0.1-2μm，所述的光学元件放置在所述蜡盘上面进行光学加工，若对光学元件进行磨砂，蜡盘为开槽的铁盘，若对光学元件进行抛光，蜡盘为抛光模，所述的大理石板在所述光学元件上方，所述的大理石板与所述的光学元件大小相同，所述的螺纹孔开在所述大理石板的周围，可将聚四氟乙烯隔板通过螺纹螺丝固定在所述大理石板的周围与所述的大理石板一起组成一个盖子盖在所述的光学元件上方进行加工，所述的铁笔座在所述大理石板的重心位置，通过螺丝固定在所述的大理石板的上方，所述铁饼的中间开设所述的中间通孔，该中间通孔与所述的铁笔座同轴，单轴机的铁笔通过所述中间通孔顶在所述的铁笔座里，带动光学元件进行光学加工，所述的周边通孔分布在所述的中间通孔的四周，通过螺丝与单轴机的摆臂固定，所述的大理石环放置在所述的蜡盘上，起限位、修形的作用，所述的大理石环的四周有4个所述的滚轮限制其运动轨迹，每个滚轮通过所述的全螺纹螺丝固定在所述的圆形转接上，所述的滚轮的上下位置可调，所述的圆形转接通过所述的套杆连接在所述的长杆上，所述套杆上有螺纹孔，可调节所述的套杆与所述的长杆的连接位置，所述的长杆焊接固定在所述铁饼上，所述蜡盘的直径为φa；所述大理石环的内径为φb，环厚度为d，高度为h；所述大理石板的直径为φc；满足如下条件：
φa/φb比值在1.2～1.4之间，φb/φc比值在1.0～1.2之间，φb/d比值在4～8之间，φb/h比值在3～10之间；
利用上述大口径平面元件光学加工夹具对光学元件的加工方法，其特点在于该方法包括如下步骤：
1)第一面磨砂：所述的蜡盘采用开槽的铁盘，对光学元件第一面进行磨砂，采用千分表测量光学元件第一面的平面度，当第一面平面度为10μm，进入下一步，否则继续第一面磨砂；
2)第二面磨砂：所述的蜡盘采用开槽的铁盘，对光学元件第二面进行磨砂，采用千分表测量光学元件第二面的平面度，采用游标卡尺测量光学元件的平行度，当光学元件第二面的平面度为10μm，光学元件平行度为10μm，进入下一步，否则继续第二面磨砂；
3)第一面粗抛：所述的蜡盘采用抛光模，采用颗粒较粗(1～5μm)的抛光液对光学元件第一面进行粗抛，采用干涉仪测量光学元件第一面面形，当光学元件第一面反射面形为10λ，则光学元件第一面粗抛完成，进入下一步，否者继续第一面粗抛；
4)第二面粗抛：所述的蜡盘采用抛光模，采用颗粒较粗(1～5μm)的抛光液对光学元件第二面进行粗抛，采用干涉仪测量光学元件第二面面形和平行度，当光学元件的第二面反射面形为10λ，平行度为2″时，则第二面粗抛完成，进入下一步，否则继续第二面粗抛；
5)第一面精抛：所述的蜡盘采用抛光模，采用颗粒较细(0.5～1μm)的抛光液对光学元件第一面进行精抛，采用干涉仪测量光学元件第一面面形，当光学元件第一面反射面形为5λ，则第一面精抛抛完成，进入下一步，否者继续第一面精抛；
6)第二面精抛：所述的蜡盘采用抛光模，采用颗粒较细(0.5～1μm)的抛光液对光学元件第二面进行粗抛，采用干涉仪测量光学元件透射面形和平行度，当光学元件透射面形为1/2λ，平行度为2″时，则第二面精抛完成，否者继续第二面精抛；
7)加工完成。
本发明的技术优点是：
1、聚氨酯隔板通过螺纹螺丝固定在所述大理石板的周围，与所述的大理石板)一起组成一个盖子盖在所述的光学元件上方进行加工，因此光学元件翻面没有机械安装过程；
2、蜡盘为抛光模，小尺寸光学元件加工时是可以更换蜡盘的，而大尺寸的光学元件加工时不采取更换蜡盘，而是做两台机床，一台专门磨砂，一台专门抛光，所以这里没有更换蜡盘的过程；
3、本发明采用与光学元件同样尺寸的大理石板，单轴机顶针位置为重心位置，均匀受力，大大提高了平行度精度，在单轴机上采用大理石环结构，起到修形的作用，保证了面形精度。
4、本发明结合了单轴机的灵活与双面抛的修形，有效地控制光学元件的加工精度，实验保表明，采用本发明大口径异形平面元件光学加工夹具加工出了高精度大口径异形平面光学元件：透射面形λ/2，平行度2″。
总之，本发明工艺简单，可加工元件范围广，生产成本低，效率高。
附图说明
图1为本发明大口径异形平面元件光学加工夹具实施例1的示意图；
图2为本发明大口径异形平面元件光学加工夹具实施例1的俯视图；
图3为本发明大口径异形平面元件光学加工夹具实施例1的正视图；
图4为本发明大口径异形平面元件加工流程图；
图中：1-大理石环，2-套杆，3-圆形转接，4-全螺纹螺丝，5-滚轮，6-长杆，7-光学元件，8-铁饼，9-周边通孔，10-中间通孔，11-铁笔座，12-大理石板，13-螺纹孔，14-蜡盘。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
参阅图1-3，图1为本发明大口径异形平面元件光学加工夹具示意图，图2为本发明大口径异形平面元件光学加工夹具俯视图，图3为本发明大口径异形平面元件光学加工夹具正视图。由图可见，本发明一种大口径异形平面元件光学加工夹具，其特征在于该夹具包括大理石环1、套杆2、圆形转接3、全螺纹螺丝4、滚轮5、长杆6、光学元件7、铁饼8、周边通孔9、中间通孔10、铁笔座11、大理石板12、螺纹孔13和蜡盘14。
所述的蜡盘14为抛光盘，表面平整度为0.1-2μm，所述的光学元件7放置在所述蜡盘14上面进行光学加工，若对光学元件7进行磨砂，蜡盘14为开槽的铁盘，若对光学元件7进行抛光，蜡盘14为抛光模，所述的大理石板12在所述光学元件7上方，所述的大理石板12与所述的光学元件7大小相同，所述的螺纹孔13开在所述大理石板12的周围，可将聚四氟乙烯隔板通过螺纹螺丝固定在所述大理石板12的周围，与所述的大理石板12一起组成一个盖子盖在所述的光学元件7上方进行加工，所述的铁笔座11在所述大理石板12的重心位置，通过螺丝固定在所述的大理石板12的上方，所述铁饼8的中间开设所述的中间通孔10，该中间通孔10与所述的铁笔座11同轴，单轴机铁笔通过所述中间通孔10，顶在所述的铁笔座11里，带动光学元件7进行光学加工，所述的周边通孔9分布在所述的中间通孔10的四周，通过螺丝与单轴机的摆臂固定，所述的大理石环1放置在所述的蜡盘14上，起限位、修形的作用，所述的大理石环1的四周有4个所述的滚轮5限制其运动轨迹，所述的滚轮5通过所述的全螺纹螺丝4固定在所述的圆形转接3上，所述的滚轮5的上下位置可调，所述的圆形转接3通过所述的套杆2连接在所述的长杆6上，所述套杆2上有螺纹孔，可调节所述的套杆2与所述的长杆6的连接位置，所述的长杆6焊接固定在所述铁饼8上。
蜡盘14的直径为φa；
所述大理石环1的内径为φb，环厚度为d，高度为h；
所述大理石板12的直径为φc；
满足如下条件：
φa/φb比值在1.2～1.4之间，φb/φc比值在1.0～1.2之间，φb/d比值在4～8之间，φb/h比值在3～10之间；
铁饼8上的中间通孔10周围有螺纹孔，通过螺丝可将铁饼8固定到单轴机的摆臂上，并且单轴机的铁笔可以通过中间通孔10向下顶在铁笔座11上，所述的铁笔座11安装在所述大理石板12的重心位置，所述的大理石板12与所述的光学元件7大小相同，因此铁笔置于光学元件7的重心和所述大理石板12的重心位置；
参见图4，本发明大口径平面元件光学加工夹具光学元件的加工方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)第一面磨砂：所述的蜡盘14采用开槽的铁盘，对光学元件7第一面进行磨砂，采用千分表测量光学元件7第一面的平面度，当第一面平面度为10μm，进入下一步，否则继续第一面磨砂；
2)第二面磨砂：所述的蜡盘14采用开槽的铁盘，对光学元件7第二面进行磨砂，采用千分表测量光学元件7第二面的平面度，采用游标卡尺测量光学元件7的平行度，当光学元件7第二面的平面度为10μm，光学元件7平行度为10μm，进入下一步，否则继续第二面磨砂；
3)第一面粗抛：所述的蜡盘14采用抛光模，采用颗粒较粗的抛光液(1～5μm)对光学元件7第一面进行粗抛，采用干涉仪测量光学元件7第一面面形，当光学元件7第一面反射面形为10λ，则光学元件7第一面粗抛完成，进入下一步，否者继续第一面粗抛；
4)第二面粗抛：所述的蜡盘14采用抛光模，采用颗粒较粗的抛光液(1～5μm)对光学元件7第二面进行粗抛，采用干涉仪测量光学元件7第二面面形和平行度，当光学元件7的第二面反射面形为10λ，平行度为2″时，则第二面粗抛完成，进入下一步，否则继续第二面粗抛；
5)第一面精抛：所述的蜡盘14采用抛光模，采用颗粒较细的抛光液(0.5～1μm)对光学元件7第一面进行精抛，采用干涉仪测量光学元件7第一面面形，当光学元件7第一面反射面形为5λ，则第一面精抛抛完成，进入下一步，否者继续第一面精抛；
6)第二面精抛：所述的蜡盘14采用抛光模，采用颗粒较细的抛光液(0.5～1μm)对光学元件7第二面进行粗抛，采用干涉仪测量光学元件7透射面形和平行度，当光学元件7透射面形为1/2λ，平行度为2″时，则第二面精抛完成，否者继续第二面精抛；
7)加工完成。
实验表明，本发明可制造出高精度大口径异形平面光学元件：透射面形λ/2，平行度2″。本发明工艺简单，可加工元件范围广，生产成本低，效率高。

Claims (2)

1.一种大口径异形平面元件光学加工夹具，其特征在于该夹具包括大理石环(1)、套杆(2)、圆形转接(3)、全螺纹螺丝(4)、滚轮(5)、长杆(6)、光学元件(7)、铁饼(8)、周边通孔(9)、中间通孔(10)、铁笔座(11)、大理石板(12)、螺纹孔(13)和蜡盘(14)；
所述的蜡盘(14)为抛光盘，表面平整度为0.1-2μm，所述的光学元件(7)放置在所述蜡盘(14)上面进行光学加工，若对光学元件(7)进行磨砂，蜡盘(14)为开槽的铁盘，若对光学元件(7)进行抛光，蜡盘(14)为抛光模，所述的大理石板(12)在所述光学元件(7)上方，所述的大理石板(12)与所述的光学元件(7)大小相同，所述的螺纹孔(13)开在所述大理石板(12)的周围，可将聚四氟乙烯隔板通过螺纹螺丝固定在所述大理石板(12)的周围，与所述的大理石板(12)一起组成一个盖子盖在所述的光学元件(7)上方进行加工，所述的铁笔座(11)在所述大理石板(12)的重心位置，通过螺丝固定在所述的大理石板(12)的上方，所述铁饼(8)的中间开设所述的中间通孔(10)，该中间通孔(10)与所述的铁笔座(11)同轴，单轴机的铁笔通过所述中间通孔(10)顶在所述的铁笔座(11)里，带动光学元件(7)进行光学加工，所述的周边通孔(9)分布在所述的中间通孔(10)的四周，通过螺丝与单轴机的摆臂固定，所述的大理石环(1)放置在所述的蜡盘(14)上，起限位、修形的作用，所述的大理石环(1)的四周有4个所述的滚轮(5)限制其运动轨迹，所述的滚轮(5)通过所述的全螺纹螺丝(4)固定在所述的圆形转接(3)上，所述的滚轮(5)的上下位置可调，所述的圆形转接(3)通过所述的套杆(2)连接在所述的长杆(6)上，所述套杆(2)上有螺纹孔，可调节所述的套杆(2)与所述的长杆(6)的连接位置，所述的长杆(6)焊接固定在所述铁饼(8)上，所述蜡盘(14)的直径为φa；所述大理石环(1)的内径为φb，环厚度为d，高度为h；所述大理石板(12)的直径为φc；满足如下条件：
φa/φb比值在1.2～1.4之间，φb/φc比值在1.0～1.2之间，φb/d比值在4～8之间，φb/h比值在3～10之间；
2.利用权利要求1所述的大口径异形平面元件光学加工夹具对光学元件的加工方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)第一面磨砂：所述的蜡盘(14)采用开槽的铁盘，对光学元件(7)第一面进行磨砂，采用千分表测量光学元件(7)第一面的平面度，当第一面平面度为10μm，进入下一步，否则继续第一面磨砂；
2)第二面磨砂：所述的蜡盘(14)采用开槽的铁盘，对光学元件(7)第二面进行磨砂，采用千分表测量光学元件(7)第二面的平面度，采用游标卡尺测量光学元件(7)的平行度，当光学元件(7)第二面的平面度为10μm，光学元件(7)平行度为10μm，进入下一步，否则继续第二面磨砂；
3)第一面粗抛：所述的蜡盘(14)采用抛光模，采用颗粒较粗(1～5μm)的抛光液对光学元件(7)第一面进行粗抛，采用干涉仪测量光学元件(7)第一面面形，当光学元件(7)第一面反射面形为10λ，则光学元件(7)第一面粗抛完成，进入下一步，否者继续第一面粗抛；
4)第二面粗抛：所述的蜡盘(14)采用抛光模，采用颗粒较粗(1～5μm)的抛光液对光学元件(7)第二面进行粗抛，采用干涉仪测量光学元件(7)第二面面形和平行度，当光学元件(7)的第二面反射面形为10λ，平行度为2″时，则第二面粗抛完成，进入下一步，否则继续第二面粗抛；
5)第一面精抛：所述的蜡盘(14)采用抛光模，采用颗粒较细(0.5～1μm)的抛光液对光学元件(7)第一面进行精抛，采用干涉仪测量光学元件(7)第一面面形，当光学元件(7)第一面反射面形为5λ，则第一面精抛抛完成，进入下一步，否者继续第一面精抛；
6)第二面精抛：所述的蜡盘(14)采用抛光模，采用颗粒较细(0.5～1μm)的抛光液对光学元件(7)第二面进行粗抛，采用干涉仪测量光学元件(7)透射面形和平行度，当光学元件(7)透射面形为1/2λ，平行度为2″时，则第二面精抛完成，否者继续第二面精抛；
7)加工完成。
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