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在光学系统中应用非球面元件可以增加光学设计自由度,修正像差、提高光学系统性能,改善系统成像质量,极大减小光学系统外形尺寸和重量,但由于其加工及检测的难度高、周期长、成本高,长期不能应用于高质量的成像系统中。近20年来,随着现代科技的发展,中小口径的非球面透镜在工业、军事、航空航天和民用领域中的高精度成像仪器、光学观测系统、变焦镜头、显示投影系统等系统中应用日益广泛。在瞄准镜、光驱、卫星、红外望远镜、照相机、监视器等光学系统中无处不见非球面光学元件的身影,已成为空间光学系统、天文学和高精度测量系统不可或缺的光学器件。
课题“工业用非球面元件加工与检测技术”的研究目的是以工业用非球面元件的检验和磨削抛光设备为基础,对非球面的磨削成型、轮廓检验到抛光的整个工艺过程及相关加工与检测技术进行了实验探索性研究,旨在探讨能够实现非球面元件加工的最有效的工艺技术路线,实现工业用非球面元件的快速加工与检测。其研究结果将对非球面元件的加工与检测技术的发展具有重要的理论及现实意义。
本文首先以现有非球面磨削抛光加工实例入手,通过工业用轴对称非球面精密磨削与抛光过程中的加工特性和工艺过程,深入分析磨削抛光过程中的主要误差影响因素形成原因,并系统研究了砂轮轴向对刀误差、磨削砂轮半径误差及工件-砂轮弹性变形误差对非球面面形精度及加工效率的影响,建立了刀具-工件变形量补偿理论模型、刀具半径误差补偿理论模型以及轴向对刀误差校正方法。为实现工业用非球面元件快速确定量磨削抛光奠定了坚实的理论基础。
为进一步提高非球面精密磨削成型阶段的轮廓面形检测精度,本文从接触式轮廓测量工作原理入手,对接触式轮廓测量非球面面形轮廓时所出现的测量误差进行了深入分析,系统研究了待测非球面对称轴倾斜误差、非球面元件中心轴x轴位置偏移量误差、测头曲率半径误差、动态检测数据误差等测量误差对轮廓测量的影响,进一步提高了非球面轮廓接触式测量精度。
在非球面动态测量数据的处理上,提出了对平稳化后的零均值平稳数据基于3σ准则的异常数据剔除法,并应用高斯滤波法对剔除异常值后的测量数据进行去噪;理论上分析了测量系统的测量误差,并给出了评定指标。
针对非球面轮廓接触式测量特点,本文以非球面的一般公式为例,提出了一种非球面非线性公式转化成线性公式进行最小二乘拟合方法,并以此拟合的参数结果作为第二步高斯牛顿法迭代求解非线性方程组参数的初始值;根据椭圆一般方程中包含有位置和方向信息参数的特点,提出了一种基于椭圆拟合的倾斜误差去除方法,通过实际应用,大大减小了系统测量中的倾斜误差影响。
为解决非球面零位补偿干涉测量技术存在的检测成本高、工期长、易引入制造和装调误差而影响系统测量精度等难题,提出了一种新的无需补偿器等其它辅助元件便可实现浅度非球面元件表面面形精度非接触测量方法。该方法数学运算和数据处理简单,实验操作简便,检测成本较低,极大地缩短了非球面表面测量的时间,在测量范围内实现了对浅度非球面的直接检测,进一步扩充了干涉测量仪的测量功能。实验结果验证了该方法的可行性。
最后根据研究目标,对φ51.5mm口径非球面进行了误差补偿超精密磨削抛光实验,并应用非球面实时检测浅度非球面测量技术对抛光后的非球面进行了非接触干涉检验。由实验结果知:通过对磨削抛光过程中的误差影响因素进行误差补偿与校正,使加工时间节省了60％以上,φ51.5mm非球面抛光后的面形精度P-V值达到0.237λ,RMS值达到0.036λ。实验验证了理论分析及误差补偿方法的J下确性,实现了轴对称非球面光学零件的快速加工与检测。