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CN112880982B - 大口径光学透镜的精密加工方法及系统 - Google Patents

大口径光学透镜的精密加工方法及系统 Download PDF

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CN112880982B CN202110171503.5A CN202110171503A CN112880982B CN 112880982 B CN112880982 B CN 112880982B CN 202110171503 A CN202110171503 A CN 202110171503A CN 112880982 B CN112880982 B CN 112880982B
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Abstract

本发明公开了一种大口径光学透镜的精密加工方法及系统，其中，该方法包括：获取待加工双凸透镜的第一凸面和背部端面；在对第一凸面精加工前，将其构造为弯月透镜或平凸透镜；基于大口径凸面透镜的零位补偿检测对弯月透镜或平凸透镜进行精加工；在第二凸面精加工前，构造检测需要的双凹透镜或平凹透镜，使得两个表面的曲率半径与待检测双凸透镜两个表面参数耦合；利用大口径凸面透镜的零位补偿检测特征，将双凹透镜或平凹透镜放置在待检测双凸透镜第一凸面与补偿器组件之间作为中继透镜，实现平凸或弯月型透镜的组合效果；对第二凸面进行精加工，完成精密加工。该方法能够实现大口径双凸型透镜的精迷加工，补充当前对于该类型透镜加工技术上的短板。

Description

大口径光学透镜的精密加工方法及系统
技术领域
本发明涉及光学精密加工和检验技术领域，特别涉及一种大口径光学透镜的精密加工方法及系统。
背景技术
如图1所示，大口径光学透镜按照其表面形式进行分类，可分为非球面透镜和球面透镜；按照两个表面的曲率半径形式进行分类，可分为双凸透镜、平凸透镜、弯月透镜、双凹透镜和平行平板。
当前光学加工技术和设备的发展已经能够满足米级镜面的加工需求，包括表面成型、表面抛光和面形误差精修都有成熟的加工技术和设备予以支撑。但是受制于检测技术和检测仪器的能力，凸面尤其是大口径凸面的加工成为难点所在。
运用光学干涉的原理可以进行光学表面面形误差的精确检测。利用干涉仪的标准镜头可以进行平面和球面的面形误差检测。凹球面的可检测口径不受干涉仪窗口镜头的尺寸限制，但是对于凸球面，干涉仪的窗口镜头尺寸和镜头焦距会成为限制检测的关键因素，超过量程范围的球面将无法实现全口径的面形误差检测。
传统的对照样板检测方法则因没有足够大的样板而只能获得局部光圈的数值，这种传统加工方式的加工检测精度通常无法直接满足高精度要求。
使用非接触式轮廓测试设备可以较为便捷的同时获得光学元件的轮廓参数和面形误差，但是该设备价格昂贵且可检测的口径受设备规格的限制，测试较大口径元件的系统误差相对较高。
如图2所示，对于大口径凸球面的精确检测，赵文才等人提出了采用零位补偿法，使通过补偿器件的光线从凸球面的背部平面或凹面入射至凸球面(此时相当于凹球面)并自准直反射，实现凸面的检测。但是该方法仅可用于平凸透镜或弯月透镜两种形式下的凸面检测，无法实现双凸型透镜的精确检测和加工。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种大口径光学透镜的精密加工方法，该方法实现了大口径双凸透镜的精确检测和加工。
本发明的另一个目的在于提出一种大口径光学透镜的精密加工系统。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了大口径光学透镜的精密加工方法，包括以下步骤：步骤S1，获取待加工双凸透镜的第一凸面和背部端面；步骤S2，对所述第一凸面进行精加工前，将所述第一凸面的背部端面构造为凹球面或平面，得到弯月透镜或平凸透镜；步骤S3，基于大口径凸面透镜的零位补偿检测方法对所述弯月透镜或平凸透镜的凸面进行精加工；步骤S4，获取待加工双凸透镜的第二凸面；步骤S5，在对所述第二凸面进行精加工前，构造检测需要的双凹或平凹透镜，并与所述第一凸面组合，得到近似弯月透镜或平凸透镜的组合体，所述构造的双凹或平凹透镜称为中继透镜；步骤S6，利用大口径凸面透镜的零位补偿检测方法对所述近似弯月透镜或平凸透镜的组合体的凸面进行精加工，完成所述待加工双凸透镜的精密加工。
本发明实施例的大口径光学透镜的精密加工方法，解决大口径光学透镜加工困难的问题，适用于大口径球面透镜和非球面透镜加工，以满足精密光学镜头设计和超高分辨率成像系统研制等应用需求，从光学检测原理上提出有效的精密检测方法，保证光学元部件加工的顺利开展。
另外，根据本发明上述实施例的大口径光学透镜的精密加工方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一凸面为所述待加工双凸透镜的正部，所述第二凸面为所述待加工双凸透镜的背部。
进一步地，在本发明的一个实施例中，当构造为所述平凸型透镜时，所述平凸型透镜的平面的径口需满足预设检测设备的检测条件，若不满足，则构造为所述弯月透镜。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述中继透镜用于调制测试光束，补偿所述待检测双凸透镜的前凸面对光线的过度偏折。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述中继透镜与所述待检测双凸透镜的组合视为弯月透镜或平凸透镜。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了大口径光学透镜的精密加工系统，包括：第一获取模块，用于获取待加工双凸透镜的第一凸面和背部端面；第一构造模块，用于对所述第一凸面进行精加工前，将所述第一凸面的背部端面构造为凹球面或平面，得到弯月透镜或平凸透镜；第一精加工模块，用于基于大口径凸面透镜的零位补偿检测方法对所述弯月透镜或平凸透镜的凸面进行精加工；第二获取模块，用于获取待加工双凸透镜的第二凸面；第二构造模块，用于在对所述第二凸面进行精加工前，构造检测需要的双凹或平凹透镜，并与所述第一凸面组合，得到近似弯月透镜或平凸透镜的组合体，所述构造的双凹或平凹透镜称为中继透镜；第二精加工模块，用于利用大口径凸面透镜的零位补偿检测方法对所述近似弯月透镜或平凸透镜的组合体的凸面进行精加工，完成所述待加工双凸透镜的精密加工。本发明实施例的大口径光学透镜的精密加工系统，解决大口径光学透镜加工困难的问题，适用于大口径球面透镜和非球面透镜加工，以满足精密光学镜头设计和超高分辨率成像系统研制等应用需求，从光学检测原理上提出有效的精密检测方法，保证光学元部件加工的顺利开展。
另外，根据本发明上述实施例的大口径光学透镜的精密加工系统还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一凸面为所述待加工双凸透镜的正部，所述第二凸面为所述待加工双凸透镜的背部。
进一步地，在本发明的一个实施例中，当构造为所述平凸型透镜时，所述平凸型透镜的平面的径口需满足预设检测设备的检测条件，若不满足，则将构造为所述弯月透镜。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述中继透镜用于调制测试光束，补偿所述待检测双凸透镜的前凸面对光线的过度偏折。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述中继透镜与所述待检测双凸透镜的组合视为弯月透镜或平凸透镜。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为各种类型的透镜示意图；
图2为零位补偿检测凸球面原理图；
图3是本发明一个实施例的大口径光学透镜的精密加工方法的流程图；
图4是本发明一个实施例的中继透镜与待检测双凸透镜组合效果示意，其中，(a)为使用中继透镜检测第二凸面示意图，(b)为使用中继透镜检测第一凸面示意图；
图5是本发明一个实施例的构造中继透镜的检测原理图；
图6是本发明一个具体实施例的双凸透镜加工方法流程图；
图7是本发明一个实施例的大口径光学透镜的精密加工系统的结构示意图。
附图标记说明：1-双凸透镜，2-平凸透镜，3-弯月透镜，4-平行平板，5-平凹透镜，6-双凹透镜，7-检测光路焦点，8-零位补偿器组件，9-中继透镜，10-中继透镜A’面，11-中继透镜B’面，12-待检测双凸透镜A’面，13-待检测双凸透镜B’面。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的大口径光学透镜的精密加工方法及系统，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的大口径光学透镜的精密加工方法。
图3是本发明一个实施例的大口径光学透镜的精密加工方法的流程图。
如图3所示，该大口径光学透镜的精密加工方法包括以下步骤：
在步骤S1中，获取待加工双凸透镜的第一凸面和背部端面。
在步骤S2中，对第一凸面进行精加工前，将第一凸面的背部端面构造为凹球面或平面，得到弯月透镜或平凸透镜。
其中，第一凸面为待加工双凸透镜的正部，第二凸面为待加工双凸透镜的背部，在步骤S2中，第一凸面的背部端面尚未加工成第二凸面。
也就是说，将待加工双凸透镜的背部表面构造为合适的凹球面或平面，进而也就是将待加工双凸透镜本身转化为弯月型或平凸型透镜。
需要说明的是，当构造为平凸型透镜时，平凸型透镜的平面的口径需要满足预设检测设备可以检测的条件，若不满足则应尽量将其构造为弯月型透镜。
在步骤S3中，基于大口径凸面透镜的零位补偿检测方法对弯月透镜或平凸透镜的凸面进行精加工。
具体地，如图4所示为此时的第一凸面的检测方式，非球面凸面和凸球面检测原理相同。
在步骤S4中，获取待加工双凸透镜的第二凸面。
在步骤S5中，在对第二凸面进行精加工前，构造检测需要的双凹或平凹透镜，并与第一凸面组合，得到近似弯月透镜或平凸透镜的组合体，构造的双凹或平凹透镜称为中继透镜。
其中，构造检测需要的双凹或平凹透镜的原则为两个表面的曲率半径与待检测双凸透镜的两个表面参数耦合。当中继透镜的两个表面的曲率半径与双凸透镜的两个表面参数耦合时，便可实现双凸透镜两个表面的高精度检测，进而实现双凸透镜的精确加工。
也就是说，在进行待加工双凸透镜的第二凸面加工前，额外构造一个双凹透镜或平凹透镜。
在步骤S6中，利用大口径凸面透镜的零位补偿检测方法对近似弯月透镜或平凸透镜的组合体的凸面进行精加工，完成待加工双凸透镜的精密加工。
具体地，如图4-5所示，基于现有凸面透镜的零位补偿检测特征，将双凹透镜或平凹透镜置于双凸透镜与补偿器组件之间构造一个双凹或平凹的中继透镜，从而实现测试光束的调制，补偿待检测双凸透镜的第一凸面对光线的过度偏折；从而实现将中继透镜和待检测双凸透镜的组合视为弯月形透镜或平凸透镜的效果。
进一步地，如图4所示，将待加工双凸透镜的前后球面分别定义为面A和面B，构造的中继透镜的前后表面分别定义为A’和B’，则可将A’构造为与A曲率半径相当的凹面(极限情况为平面)，将B’构造至与B曲率半径相当的凹面(极限情况为平面)，即步骤S4过程。即可实现弯月形组合或平凸组合的效果。
下面基于图2-6所示原理以一个具体实施实例对本发明提出的大口径双凸透镜的成型和精加工过程进一步说明。
步骤D1，对双凸透镜的坯料进行端面和柱面处理，获得标准圆柱体饼料，作为待加工双凸透镜。
步骤D2，如图5所示，考虑待加工双凸透镜的凸面A的曲率半径和口径参数，规划背部的面型形式，选择构造为与A匹配的凹球面或可以完整检测面形误差的平面。
步骤D3，完成凸面A的成型并采用图2所示原理实现凸面A的精检测和精加工。
步骤D4，如图5所示，同时考虑待加工双凸透镜的凸面A和B的曲率半径和口径参数，构造双凹透镜或平凹透镜。
步骤D5，完成凸面B的成型并采用图3所示原理实现凸面B的精检测和精加工。
根据本发明实施例提出的大口径光学透镜的精密加工方法，通过采用构造中继透镜表面的方式进行双凸型透镜表面面形误差的精确检测，解决了当前大口径双凸型透镜检测困难的问题，同时，采用背向零位补偿检测的方法即可实现双凸型透镜两个表面的精确检验和加工，对提高光学精密加工能力具有重要作用。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的大口径光学透镜的精密加工系统。
图7是本发明一个实施例的大口径光学透镜的精密加工系统的结构示意图。
如图7所示，该系统10包括：第一获取模块100、第一构造模块200、第一精加工模块300、第二获取模块400、第二构造模块500和第二精加工模块600。
其中，第一获取模块100用于获取待加工双凸透镜的第一凸面和背部端面。第一构造模块200用于对第一凸面进行精加工前，将第一凸面的背部端面构造为凹球面或平面，得到弯月透镜或平凸透镜。第一精加工模块300用于用于基于大口径凸面透镜的零位补偿检测方法对弯月透镜或平凸透镜的凸面进行精加工。第二获取模块400用于获取待加工双凸透镜的第二凸面。第二构造模块500用于在对第二凸面进行精加工前，构造检测需要的双凹或平凹透镜，并与第一凸面组合，得到近似弯月透镜或平凸透镜的组合体构造的双凹或平凹透镜称为中继透镜。第二精加工模块600用于利用大口径凸面透镜的零位补偿检测方法对近似弯月透镜或平凸透镜的组合体的凸面进行精加工，完成待加工双凸透镜的精密加工。
进一步地，在本发明的一个实施例中，第一凸面为待加工双凸透镜的正部，第二凸面为待加工双凸透镜的背部。
进一步地，在本发明的一个实施例中，当构造为平凸型透镜时，平凸型透镜的平面的径口需满足预设检测设备的检测条件，若不满足，则构造为弯月透镜。
进一步地，在本发明的一个实施例中，中继透镜用于调制测试光束，补偿待检测双凸透镜的第一凸面对光线的过度偏折。
进一步地，在本发明的一个实施例中，第二构造模块400中构造检测需要的双凹或平凹透镜的原则为两个表面的曲率半径与待检测双凸透镜的两个表面参数耦合。
需要说明的是，前述对大口径光学透镜的精密加工方法的实施例的解释说明也适用于该系统，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的大口径光学透镜的精密加工系统，通过采用构造中继透镜表面的方式进行双凸型透镜表面面形误差的精确检测，解决了当前大口径双凸型透镜检测困难的问题，同时，采用背向零位补偿检测的方法即可实现双凸型透镜两个表面的精确检验和加工，对提高光学精密加工能力具有重要作用。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种大口径光学透镜的精密加工方法，包括以下步骤：
步骤S1，获取待加工双凸透镜的第一凸面和背部端面；
步骤S2，对所述第一凸面进行精加工前，将所述第一凸面的背部端面构造为凹球面或平面，得到弯月透镜或平凸透镜；
步骤S3，基于大口径凸面透镜的零位补偿检测方法对所述弯月透镜或平凸透镜的凸面进行精加工；
步骤S4，获取待加工双凸透镜的第二凸面；
步骤S5，在对所述第二凸面进行精加工前，构造检测需要的双凹或平凹透镜，并与所述第一凸面组合，得到近似弯月透镜或平凸透镜的组合体，所述构造的双凹或平凹透镜称为中继透镜；其中，构造检测需要的双凹或平凹透镜的原则为两个表面的曲率半径与待检测双凸透镜的两个表面参数耦合；
步骤S6，利用大口径凸面透镜的零位补偿检测方法对所述近似弯月透镜或平凸透镜的组合体的凸面进行精加工，完成所述待加工双凸透镜的精密加工；
其特征在于，所述中继透镜用于调制测试光束，补偿所述待检测双凸透镜的第一凸面对光线的过度偏折。
2.根据权利要求1所述的大口径光学透镜的精密加工方法，其特征在于，所述第一凸面为所述待加工双凸透镜的正部，所述第二凸面为所述待加工双凸透镜的背部。
3.根据权利要求1所述的大口径光学透镜的精密加工方法，其特征在于，当构造为所述平凸型透镜时，所述平凸型透镜的平面的径口需满足预设检测设备的检测条件，若不满足，则构造为所述弯月透镜。
4.一种大口径光学透镜的精密加工系统，包括：
第一获取模块，用于获取待加工双凸透镜的第一凸面和背部端面；
第一构造模块，用于对所述第一凸面进行精加工前，将所述第一凸面的背部端面构造为凹球面或平面，得到弯月透镜或平凸透镜；
第一精加工模块，用于基于大口径凸面透镜的零位补偿检测方法对所述弯月透镜或平凸透镜的凸面进行精加工；
第二获取模块，用于获取待加工双凸透镜的第二凸面；
第二构造模块，用于在对所述第二凸面进行精加工前，构造检测需要的双凹或平凹透镜，并与所述第一凸面组合，得到近似弯月透镜或平凸透镜的组合体，所述构造的双凹或平凹透镜称为中继透镜；其中，构造检测需要的双凹或平凹透镜的原则为两个表面的曲率半径与待检测双凸透镜的两个表面参数耦合；
第二精加工模块，用于利用大口径凸面透镜的零位补偿检测方法对所述近似弯月透镜或平凸透镜的组合体的凸面进行精加工，完成所述待加工双凸透镜的精密加工；
其特征在于，所述中继透镜用于调制测试光束，补偿所述待检测双凸透镜的第一凸面对光线的过度偏折。
5.根据权利要求4所述的大口径光学透镜的精密加工系统，其特征在于，所述第一凸面为所述待加工双凸透镜的正部，所述第二凸面为所述待加工双凸透镜的背部。
6.根据权利要求4所述的大口径光学透镜的精密加工系统，其特征在于，当构造为所述平凸型透镜时，所述平凸型透镜的平面的径口需满足预设检测设备的检测条件，若不满足，则构造为所述弯月透镜。
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