高精度屋脊棱镜屋脊角精度的控制_田军.pdf

收稿日期：2022-01-25第37卷第6期2022年12月光电技术应用ELECTRO-OPTIC TECHNOLOGYAPPLICATIONVol.37，No.6December，2022在当今高科技快速发展的时代，光学技术越来越多地被应用到各个领域，同时，对光学零件的技术要求也越来越高，需求量也越来越大。这已成为高精度零件近些年发展的特点。文中是在制造高精度屋脊棱镜的过程中总结的一些经验和体会，着重对屋脊棱镜屋脊角精度的控制、屋脊面的返工进行讲述，供同行参考。1工艺难点分析1.1屋脊棱镜精度的界定屋脊棱镜是光学仪器中重要的反射棱镜，光学行业内根据对系统成像需求、方便装配操作等方面选用不同精度的屋脊棱镜，通常屋脊棱镜高低精度大致界定为：屋脊角精度 2以内为高精度屋脊棱镜，25之间为中等精度，大于5为低精度。1.2高精度屋脊棱镜工艺难度分析以图1所示屋脊棱镜为例，该屋脊棱镜S=5，有式（1）S=4ncos（1）其中，S为双像差，即S=5；n为玻璃的折射率，即K9材料折射率1.52；为光轴截面内光轴与屋脊棱垂直线之间的夹角，即=0。光电器件与材料 高精度屋脊棱镜屋脊角精度的控制田军，白涛，王淑宁，南勇，杨资阳，刘明涛（河南平原光电有限公司，河南 焦作）摘要：屋脊棱镜具有转折光路、图像旋转、定向反射、缩短系统光路等作用，被广泛用在各种观瞄系统中。在目视光学仪器的光学系统中，为了得到“完全一致像”，常常采用屋脊棱镜转像。采用屋脊棱镜转像，比用其他的棱镜组或者透镜组转像具有体积小的优点。高精度屋脊棱镜在其角度误差、面形误差和表面粗糙度等方面都具有较高的要求，如何获得较高的精度，降低生产成本，是近些年光学制造行业研究探索的一道难题。着重介绍了一种控制屋脊角精度的抛光工艺，从光胶胶盘方式、屋脊面面形对屋脊角的影响、屋脊面返工方法等方面进行分析，对高精度屋脊棱镜屋脊角精度的控制进行了阐述。关键词：屋脊棱镜；高精度；屋脊角；抛光工艺中图分类号：TH744文献标识码：A文章编号：1673-1255（2022）-06-0077-05Control of Ridge Angle Precision of High Precision Ridge PrismTIAN Jun,BAI Tao,WANG Shuning,NAN Yong,YANG Ziyang,LIU Mingtao(Henan Pingyuan Photoelectric Co.,Ltd.,Jiaozuo,China)Abstract:Roof prism has the functions of turning light path,image rotation,directional reflection,shorteningsystem light path and so on,which is widely used in aiming systems.In the optical system of visual optical instruments,ridge prism is often used to transform the image in order to obtain complete consistent images.Comparedwith other prism or lens groups,roof prism has the advantage of small volume.High precision roof prism has high requirements in its angle error,surface error and surface roughness.How to obtain high precision and reduce production cost is a difficult problem in the optical manufacturing industry in recent years.A polishing process to controlthe accuracy of ridge angle is mainly introduced,in which the way of light glue plate,the influence of ridge surfaceshape on ridge angle and the rework method of ridge surface are analyzed,and the control of ridge angle accuracy ofhigh-precision ridge prism is expounded.Key words:ridge prism;high-precision;ridge angle;polishing process光电技术应用第37卷可得出屋脊角精度=0.8，即精度要求非常高。同时该零件=1、90=30，如果采用传统手改角度加工，加工第三个面时，需要同时保证第三面与两个屋脊面的夹角（60角）的精度，通常需要保证6010，否则加工最后一面不能同时保证9030和=1精度要求。采用传统手改角度加工方法，同时保证9030和=1的合格率非常低，不足20%，不能满足产品配套，需要先进的加工工艺以保证零件各项指标。指 标 为：材 料 K9，N1=1、N2=0.5、N1=0.5、N2=0.1，B=60.25，=1，S=5，屋脊棱不倒边、不破边。2工艺方案设计及实施如图1所示高精度屋脊棱镜，公司加工此类零件采用的加工工艺为：将零件屋脊面光胶在转角光胶工具上，利用转角光胶工具加工屋脊棱镜其余三个工作面，通过转角工具三次光胶上盘，以及通过对镜盘的平行控制，将转角工具的精度复制到零件上，该方法可有效保证零件9030和=1精度要求。零件复制完成后进行检测，对于屋脊角超差的零件，在长方体工具上重新光胶零件屋脊面进行返工，因光胶过程中被加工面在玻璃平板上贴出粗光带，返工后零件的、几乎不发生改变（详细文中2.3节所述）。目前，光学行业内高精度屋脊棱镜加工的重点是屋脊角精度的控制，所以文中不再详细讲述用转角光胶工具复制屋脊棱镜的加工工艺，只着重对屋脊角精度控制的工艺进行研究，研究内容为光胶胶盘方式、屋脊面面形配合对屋脊角的影响、屋脊面返工方法、镜盘平行度的控制方法等。2.1屋脊棱镜光胶胶盘方式的研究该屋脊棱镜屋脊角精度为900.8，按照常规的光胶方法加工屋脊面时，因棱镜处于悬空状态，抛光过程中零件承受较大的压力极易开胶，使得屋脊角精度不能得到有效保证。解决办法，措施一：将零件通过长方体光胶到垫板上后，使用光胶辅助条（直角棱镜条）做屋脊棱镜支撑物，直角棱镜条直角面光胶到垫板上、弦面支撑在屋脊棱镜侧面上，使得屋脊棱镜重心不再悬空（见图2（a）；同时，光胶时确保长方体工具有较大的倒边（0.81.0 mm），光胶完点502胶对光胶牢固度进行加强，然后在倒边处涂蜡，以避免抛光液与502胶长时间接触，使得光胶牢固度下降而开胶，也避免了抛光过程中零件屋脊棱刮沥青模而产生屋脊棱破边（见图2（b）。措施二：零件胶盘时工具块呈放射形（即零件屋脊角截面垂直于垫板径向，见图3）。这样整盘光圈不会对屋脊角产生影响，只会对零件棱差即第二平行差产生影响。其余1.614.60.1A27.20.0121（38.36）280.10.012280.11A向0.0122227.180.10.01228-0.1-0.29030图1 屋脊棱镜抛光图图2 屋脊棱镜光胶示意图长方体工具屋脊棱镜光胶辅助条光胶垫板屋脊棱镜502胶长方体工具蜂蜡5:1II（a）（b）长方体工具屋脊棱镜光胶垫板整盘光圈长方体工具屋脊棱镜光胶辅助条A向图3 发散式零件胶盘图（54.25）78第6期田军等：高精度屋脊棱镜屋脊角精度的控制2.2屋脊面面形配合对屋脊角的影响在高精度零件加工过程中，零件的面形精度会影响到角值精度，有式（2）=N2nb 206 265（2）这是等厚干涉条纹测量平行平板玻璃平行度误差所利用的关系式，同样对于测量角度误差同样适用。式中，是所用单色光源的波长，所用干涉仪工作波长为0.632 8 m；b是测量时所取被测量零件的尺寸范围，图示零件屋脊面尺寸范围为b=54.25 mm=54 250 m；n是玻璃材料对应所使用单色波长的折射率，K9折射率为1.52；N为测量范围内零件的面形，即光圈数。当N=1时，有=10.632 821.5254 250 206 265=0.8（3）即 1道圈对零件角度的影响为 0.8，其影响已等于零件屋脊角精度0.8，即零件屋脊面面形对屋脊角影响非常大。所以需要研究零件两屋脊面面形即光圈配合对屋脊角的影响，一方面通过光圈配合降低面形对屋脊角的影响，另一方面降低面形控制难度。为此，做了大量的工艺实验，通过反复试验总结出光圈高低配合对屋脊角产生影响见图4。由图4可知，当两屋脊面为高光圈和低光圈相互配合时，屋脊角90合格率较高。通过“2.1节、2.2节”所述措施，屋脊角合格率达到较高水平，约35%左右（因测量手段的制约，通常所使用高精度长方体工具的精度为90=2，而该零件屋脊角的精度90=0.8，屋脊角合格率能达到35%已属行业较高水平）。2.3屋脊面返工的研究因屋脊角精度要求0.8，精度非常高，一次自检合格率较低，加工过程中，大部分零件（约为65%）屋脊角超差，所以，需要反复返工其中一个屋脊面直到屋脊角合格为止。这时，利用长方体光胶零件对屋脊角超差的零件进行返工，返工过程只需要修改整盘光圈，不需要重新精磨，这需要对返工过程进行研究；同时部分屋脊面表面疵病超差的零件需要重新精磨、抛光，为确保返工后零件、不发生改变，也需要对返工过程进行研究。通过上述研究，以总结出合适的返工方案。采取的返工方案：光胶过程中，将长方体光胶在玻璃平板上，然后将零件屋脊面光胶在长方体上，同时另一个需要返工的屋脊面与玻璃平板贴出较粗的光带（见图5）。光胶完成后将玻璃平板分离即可，光胶过程中记录零件光胶面的光圈情况，确保所返工面和光胶面光圈高低配合，以获得较高的屋脊角精度，例如：光胶的屋脊面为低光圈，则需要将待加工的屋脊面加工成高光圈。按照上述返工方法，光胶中使所有零件待加工面在同一个基准面，这样屋脊角超差的零件返工过程中不需要精磨，通过抛光修改光圈就可以达到提高屋脊角精度的目的，省去了精磨、抛光去麻点的时间；屋脊面表面疵病超差的零件按此方法返工，因为通过精磨、抛光过程中控制镜盘平行差的方式确保了需加工面竖直方向平行着消耗尺寸（即返工前后零件待加工面与长方体工具下表面即基准面平行），所以零件的、在返工后几乎不发生改变。2.4镜盘平行度的控制方法零件加工过程中，通过控制镜盘平行度来保证零件屋脊角精度。2.4.1镜盘平行度的控制零件精磨时，用千分尺测量被加工面与光胶垫板下表面之间的距离，通过控制尺寸差而间接控制零件的平行差，通常控制在 0.001 mm 即可进行抛光。低光圈低光圈高光圈高光圈低光圈高光圈90 偏大90 偏小90 正常图4 光圈配合与90角的关系长方体工具屋脊棱镜玻璃平板图5 屋脊面返工光胶过程示意图79光电技术应用第37卷2.4.2抛光下盘前的测量方法利用干涉测量技术可以精确地测量并控制零件平行度误差。把抛光的光胶盘放入平面干涉仪中，对零件面形进行自检，除看到被加工表面的平面度干涉条纹外，还可看到光胶垫板基准面平面度的干涉条纹，如图6所示。图中长方形部分为零件被加工表面平面度条纹，旁边非方形区域为光胶垫板基准面平面度条纹。当这两种干涉条纹（收缩方向、同为高光圈或低光圈）相一致时，则可获得较高的平行度，从而间接地保证了零件屋脊角精度。2.5屋脊角测量结果改善前采用常规加工工艺加工，零件屋脊角测量结果分析见2.5.1节，改善后采用相关研究方法加工屋脊角测量结果分析见2.5.2节。2.5.1改善前屋脊角测量结果改善前采用常规加工工艺，该加工过程中未采取放射形胶盘，未注意屋脊