引 言

在机载光电跟踪系统的工作过程中,陀螺稳定平台框架的转动会引起光学系统和成像器件相对载机的运动,造成成像画面的旋转,为了保证飞行员的观察和操作,需要增加相应的图像消旋系统对旋转像进行补偿^{[1, 2, 3]}。为保持消旋光学系统结构紧凑,在系统中应用非球面和衍射面,由于衍射光学元件所具有的高衍射率以及色散特性,给光学设计带来更多的设计自由度和更多的材料可选性,同时,衍射元件的精度也是影响消旋光学系统性能的关键因素。在红外消旋光学系统的设计中,采用衍射元件可消色差和复消色差,采用非球面为基面的衍射元件进行系统像差校正^{[4, 5]}。目前国内外都采用单点金刚石车削技术来加工衍射面,在色差校正和无热化中,由锗和硒化锌、硫化锌等材料制造的红外衍射光学元件大多通过单点金刚石车削加工得到,这种技术可以直接加工出连续面型的衍射面,并且有加工精度高、效率高、重复性好等优点^{[6, 7, 8, 9, 10]}。

本文基于机载制冷型CCD消旋机构光学系统设计,利用非球面补偿的方法设计出高精度衍射面面型,设计的红外系统是采用ZnS为材料的衍射面,为提高面型精度,对非球面进行了程序补偿,在环境条件不变的情况下,将非球面程序更换为衍射面继续加工,并结合加工实验讨论了影响衍射元件精度的工艺因素。

1 数学描述

对单点金刚石加工而言,衍射面的基面无论是球面或是非球面,都是将相位信息与基面迭加后的轮廓一次加工成形,加工难度和加工成本是一样的。考虑到对系统成像质量的影响,用于成像的折衍射透镜,其基面一般设计为非球面。旋转对称的非球面面型公式表示为

衍射相位系数公式表示为

衍射面表达式即将非球面和衍射相位在曲面上的矢高相加,衍射面公式可以表示为

综上所述,无论非球面还是衍射面都是以相对于曲面的矢量高度来表示的。本次加工的衍射面用DIFFSYS软件模拟出来如图 1所示,图 1描述了衍射相位的曲面形貌以及与非球面叠加后的完整衍射面形貌。

图 1

Fig. 1

图 1 非球面与衍射相位拟合模型 Fig. 1 Profile of the aspherical and diffractive surface

设计的红外系统第3面为ZnS材料的衍射面,表 1为衍射面的非球面系数及衍射位相系数。衍射元件利用单点金刚石车床车削加工实现,其加工特点是导轨运动精度高,重复性好,衍射元件基面通常设计成非球面,更有利于校正系统像差。利用Moore公司的精密车床加工,并利用Tylor Hobson公司的1240型轮廓仪进行测量和补偿非球面基面。

表 1(Table 1)

表 1 非球面系数及衍射位相系数 Tab. 1 Parameters of the aspherical and diffractive surface 非球面参数 衍射面位相参数 D=26 mm D=25.7 mm R=30.516 mm R=∞ K=3.473 9 — A4=-3.898 7×10-6 D2=-0.661 7×10-4 A6=-6.816 5×10-8 D4=-3.648 2×10-6 A8=-3.642 7×10-10 D6=1.029 5×10-8

表 1 非球面系数及衍射位相系数 Tab. 1 Parameters of the aspherical and diffractive surface

非球面的加工检测结果如图 2所示。图 2(a)表示刀具设置完成后的第一次加工检测结果,在顶点曲率半径R=30.516 mm时测得表征微观形貌的峰谷值R_t=0.51 μm,表征粗糙度的轮廓算数平均偏差R_a=0.096 μm。非球面加工一般要求R_t<0.4 μm,R_a<0.04 μm,因此需要对第一次加工检测结果程序补偿。利用FTS2TPG软件将图 2(a)的检测结果存档为MOD格式文件,此时将检测结果反转,选取中心位置作为加工误差的参考点,将检测结果的误差数据与第一次加工程序结合,得到补偿后的加工程序,整个过程即程序补偿。利用程序补偿后的程序加工检测后结果如图 2(b)所示,此时R_t=0.27 μm,R_a=0.03 μm。

图 2

Fig. 2

图 2 检测结果 Fig. 2 The measured results

根据检测结果可知,经过程序补偿的非球面,面型精度很高,证明此时机床及刀具状态良好。在环境条件不变的情况下,将非球面程序更换为衍射面程序继续加工,在补偿后的非球面基础上,将程序更换为衍射面程序,就可得到表面形貌良好的衍射面面型。

3 工艺因素分析

金刚石车床加工衍射面的本质在于车床的高主轴回转精度和导轨直线精度,利用程序驱动金刚石刀具沿特定轨迹由衍射元件边缘走刀到中心位置。因此,刀具的选择、调试直接影响到衍射元件的表面形貌。

对于衍射元件,只要刀具半径不为零,都会导致各衍射环带突变位置的不完全车削,产生遮挡效应。遮挡效应会破坏衍射面面型的完整性,造成光能量的透过率损失,透过率损失的拦光面积计算公式可表示为

图 3

Fig. 3

图 3 遮挡效应 Fig. 3 Blocking effect

本系统所设计的衍射元件有效口径为26 mm,结合上述图 1可以看出,系统使用的衍射元件有10个环带,用0.2 mm的圆弧形刀具加工,计算出透过率损失约为0.055,即能量损失率为5.5%。根据式(5)可知,在衍射元件轮廓参数已定的条件下,通过减小刀具半径和更换折射率更大的材料可以减小阴影部分的面积,降低遮挡效应造成的衍射元件面型误差及透过率损失。

程序控制下的刀具在零件上最终位置是零件回转中心,若装调时刀具位置参数设置超过中心或不到中心,会使加工后的零件曲率中心交叉或分离,如图 4所示,说明刀具装调误差会导致衍射结构的环带位置偏差。通过对试验件的切削、检测和补偿,调整刀具位置参数到零件中心,从而减小了衍射环带的偏差对面型精度的影响。

图 4

Fig. 4

图 4 刀具中心对零件的影响 Fig. 4 The influence of the cutting center over the components

表 2给出了实际加工中进给速率和切削深度对粗糙度影响的对比试验结果,可以看出,在进给速率和切削深度量值合理的范围内,影响粗糙度的主要因素是进给速率,而切削深度对粗糙度影响较小。

表 2(Table 2)

表 2 进给速率和切削深度对粗糙度的影响 Tab. 2 The effect of the feed rate and cutting depth on the surface roughness 进给速率/(mm·min-1) 切削深度/mm 粗糙度Ra F3 0.005 0.009 6 F3 0.060 0.009 7 F8 0.005 0.011 0 F8 0.060 0.011 5

表 2 进给速率和切削深度对粗糙度的影响 Tab. 2 The effect of the feed rate and cutting depth on the surface roughness

综上可知,合理的刀具半径,刀具调试是保证面型精度的前提。通过降低进给速率和增加切削深度可以在保证加工效率的同时得到较小的表面粗糙度。

4 结 论

衍射元件的精度是影响光学系统性能的关键因素,为了实现消旋检测系统高精度的表面形貌,引入衍射元件。文中充分发挥单点金刚石精密车削加工技术在制造红外衍射光学元件中的作用,模拟出的非球面与衍射相位的拟合模型,结合非球面系数及衍射位相系数进行分析,并重点从遮挡效应以及刀具中心对零件的影响对金刚石车床加工衍射元件的工艺因素进行讨论。系统在加工过程采用补偿非球面基面的方法,综合考虑加工工艺因素,得到了表面形貌良好的衍射元件。