光学制造(精选3篇)
光学制造 篇1
长焦距、高分辨率、高像质的光学系统成为空间光学领域研究的热点。由于像斑大小正比于光学系统相对孔径的倒数,因此增大焦距的同时,必须增大口径,才能保证具有足够高的空间分辨率。但考虑到加工、装配、检测等方面的原因,光学透镜的口径受到了一定的限制。
目前文献报道中,衍射面和非球面在光学镜头的应用较多,如文献[1]中报道了白瑜等人设计了基于衍射光学面的头盔显示光学系统,文献[2]报道了白瑜等人设计了含有衍射面的红外镜头,设计了一个容易加工检测的大口径、长焦距、高分辨率空间相机光学系统,光学系统口径为1.0 m,焦距为10.0 m,视场角为1.2°,500 km像元分辨率可达0.5 m。
1 光学系统分析
在光学系统的像差足够小时,光学系统口径的衍射决定了系统的最高分辨率。衍射对系统分辨率的影响由如下艾里斑半径d来表征
式中,λ为波长;f为光学系统焦距;D为光学系统口径。
空间相机地面像元分辨率为像面上CCD像元尺寸对应的物面尺寸,等于CCD采样的地面采样间距GSD(ground sample distance)。光学系统的成像质量最好能做到衍射极限,即像斑直径最小为衍射极限。空间相机的地面像元分辨率由探测器的像元尺寸、轨道高度及光学系统的焦距决定
式中,RGSD为地元分辨率,H为轨道高度,f为光学系统焦距,a为探测器的像元尺寸。
地面的覆盖宽度将由空间相机的有效视场角2ω决定,当轨道高度H一定时,地面覆盖宽度W表示为
式中,W为覆盖宽度,ω为半视场角。
由式(2)、式(3)可知,在波长、卫星高度和探测器尺寸a确定后,空间分辨率与光学系统相对孔径有关,当光学系统口径一定时,在相同的轨道高度条件下,增大焦距可以提高地面分辨率,增大系统的视场角可以扩大对地面的覆盖宽度。同时,增大系统的口径有利于提高空间光学系统的性能。在设计长焦距光学系统时,很少采用折射式和折反射式结构形式,一方面是由于大尺寸的光学材料对加工和装调提出的要求极高,而且对环境温度和压力的变化也特别敏感;其次由于成像谱段二级光谱消除困难。与折射式和折反射式结构形式相比,反射式结构形式具有以下特点:(1)无任何色差,也不存在二级光谱,因此可以用于可见光、紫外、红外谱段很宽的谱段成像,特别适用于遥感和多光谱成像的光学系统;(2)光学元件数相对较少,光学系统孔径可以做得较大,且容易实现轻量化设计,减小相机体积,使整个光学系统的质量减轻,适用于空间光学系统的需要;(3)反射式光学系统对材料要求相对较低,取材容易,设计形式非常灵活,可以借助折转反射镜来折叠光路使结构紧凑,还可以用非球面来获得大孔径、大视场、长焦距等多种性能要求的系统。两反射式光学系统中使用的非球面多为高次非球面,加工、检测和装调难度较大,由于两反射式光学系统中主镜口径最大,主镜的质量决定着整机系统的性能,如果主镜采用抛物面,加工精度和检测难度更小,合理分配各个镜子的光焦度、曲率半径和厚度,同样可以得到高性能的大口径长焦距高分辨率光学系统。
2 设计实例与性能分析
应用光学设计软件Code V设计了一焦距f=10000 mm,入瞳口径D=1 000 mm,工作谱段为500~800 nm,视场角为1.2°的大口径长焦高分辨率空间光学系统,设置合适的优化函数对系统进行优化,最终优化后得到的光学系统如图1所示,系统采用带有三块校正镜组件的Ritchey chretion结构形式。系统主镜采用抛物面面型,利用补偿法检测抛物面检测难度小精度高。次镜采用双曲面,双曲面的系数为-28.638,为了有效校正系统中所有像差,在两反射镜的基础上加入校正组件,这样系统就有了多个变量可以用于校正像差,实现大口径长焦距。校正组件为三片式结构,三片校正组件均为球面镜,大大减小了加工、检测和装配的难度。
图2给出了系统的调制传递函数曲线,由图2可知,在空间频率50 lp/mm时,所有视场的调制传递函数均接近衍射极限,各视场MTF均优于0.42,且系统无渐晕。
由图3可知,各视场光线所成像点的半径均方根值均在3.6μm以内,小于光学系统的艾里斑直径。图4给出了系统像散和畸变图,可知各个视场的像散都很小,光学系统最大视场处的畸变量为0.45%,小于0.5%,该空间光学系统的成像质量优良。当卫星轨道高度为500 km,根据式(3)计算可知,该相机地面的覆盖宽度可达10.47 km。
3 结论
设计了一个容易加工检测的大口径、长焦距、高分辨率空间相机折反射光学系统,光学系统口径为1.0 m,焦距为10.0 m,视场角为1.2°空间频率50 lp/mm处,所有视场的调制传递函数均接近衍射极限,成像优良,系统主镜采用抛物面,易于加工检测,三片校正镜均为球面镜,有利于高精度加工检测的实现。
参考文献
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光学制造 篇2
玻璃精密模压制造技术特别适用于批量生产各种具有特殊结构的高精度中小口径透镜, 尤其是那些用传统加工手段难以实现的光学玻璃元件, 如小口径薄型透镜、高次非球面镜片、微透镜阵列、衍射光学元件和自由曲面光学元件等由于精密模压技术能够大批量直接模压成型精密的非球面或自由曲面光学零件, 使得非球面玻璃光学零件被广泛使用成为可能。因而给光学系统设计带来了新的变化和发展, 不仅简化光学系统结构、缩小体积、减轻重量、节省材料、减少了光学零件镀膜和工件装配的工作量从而降低成本, 而且还改善了光学系统的性能, 提高了光学成像的质量。这项技术的普及推广应用是光学行业在光学玻璃零件加工方面的重大革命。
二、精密模压制造技术的工艺特点以及与传统工艺的比较
作为成本相对较高的精密模压技术, 其最大的优势在于批量制造非球面透镜。非球面透镜的主要应用有光纤耦合, DVD读取头, 手机镜头, 数码相机镜头等。在很多情况下, 光学设计采用非球面, 能够得到球面光学零件难以达到的光学性能, 如提高系统的相对孔径, 增大视场角, 改进像质, 改善光照度均匀性, 缩短工作距离, 减少镜片数量等, 从而简化光学系统结构, 减轻重量。因此, 非球面常常应用于大视场, 大孔径, 像差要求高, 结构要求简单的光学系统中。非球面光学零件因其优良的光学性能而日益成为一类非常重要的光学元件。
非球面零件可分为回转对称非球面, 非回转对称非球面, 无对称中心非球面, 阵列表面四类。其中最常用的回转对称非球面。它是一条二次曲线或高次曲线, 绕曲线自己的对称轴旋转所形成的回转曲面。
设一条直线z为回转轴, z轴也是光轴, 非球面上任意一点到光轴的距离为r, 非球面定点在z=0处, 则回转对称非球面方程为:
式中, 第一项是这个非球面的基面, 它表达了一个二次去面;后面各项是这个非球面的高此项, 它是偏离二次去面的表面特征, 既非球面是在二次去面的基础上作一些微小的表面变形, 可以达到校正相差的目的, 由于一个非球面可以有多个量可以选择, 和球面仅有一个c两选择相比, 非球面有很好的作用, 可以有一个非球面产生几个球面结构的作用。
玻璃精密模压制造技术大体上可以分为3个部分:精密模具设计与制造、热压成形工艺和模压玻璃。其中模压玻璃包括预型片设计与制造以及模压后玻璃光学性能的变化两部分。模压透镜的光学精度与这3个部分紧密相关。不同于材料去除型加工方式, 精密模压制造技术首先在无氧环境中将置于高精度模具内的玻璃预型片加热到适合模压的温度, 经由模芯表面施压转移面形, 继而保压退火去除压力分模, 最终只需一道工序即可得到模压透镜, 工艺流程简单, 生产效率高。由于在制造过程中, 不需要对镜片进行装夹固定以及局部接触施加压力铣磨抛光, 因此不会产生传统加工方法中难以避免的薄型镜片因机械应力而变形的问题。只要模压条件正确设置, 工艺稳定, 模压镜片的面形和结构将具有良好的精度和一致性。
采用玻璃精密模压方法进行透镜加工, 与传统的加工工艺相比具有如下优点 (见图2.1, 图2.2) :
(1) 一般只需一道模压工序即可得到最终的光学元件, 不需要传统的粗磨、精磨、抛光等工序, 即可使光学元件达到较高的尺寸精度、面形精度和表面光洁度。
(2) 能够节省大量的生产设备、工装辅料、厂房面积和熟练的技术工人, 使一个小型车间就可具备很高的生产力。
(3) 可很容易经济的实现精密非球面光学零件的批量生产。
(4) 只要精确地控制模压成型过程中的温度和压力等工艺参数, 就能保证模压成型光学零件的尺寸精度和重复精度。
(5) 可以模压小型非球面透镜阵列。
(6) 光学零件和安装基准件可以制成一个整体, 结构更加紧凑。
(7) 因为不使用研磨液和抛光粉等颗粒材料, 且玻璃预制片不会产生加工去除废料, 是一种环保技术。
目前批量生产的模压成型非球面光学零件的直径为2~35mm, 直径公差为±0.01mm;厚度为0.4~25mm, 厚度公差为±0.01mm;曲率半径可达5mm;面形精度为1.5λ, 表面粗糙度符合美国军标为60/40。
三、精密型料成形技术与模压技术介绍
玻璃光学零件模压成型技术是一项综合技术, 需要设计专用的模压机器, 采用高质量的模具和选用合理的工艺参数。成型的方法, 玻璃的种类和型料, 模具材料与模具制作, 都是玻璃模压成型中的关键技术。
精密型料成形技术早已成熟, 各光学玻璃厂已用于批量制造。Matsushita电器公司和Sumita光学玻璃公司1994年的专利叙述了一种制造精密型料的方法。基本原理示于图3.1。玻璃配合料在铂坩埚1中熔化、澄清、均化后从流料管9流Ltl。流料管温度由加热器8控制。模具10置于轨道12上, 由传动机构带动在各工序之间移动。加热器11用于模具10的加热。流料管流出的玻璃置于模具10上, 达到设定的质量时, 模具10快速下降, 玻璃料滴与流料管分离, 形成类似于火焰抛光的自由表面, 表面张力保持玻璃表面光洁。玻璃冷却到一定温度后, 由加压机构2、模具6加压成所需的尺寸。设计不同形状的模具以得到不同规格的型料。加压后的玻璃由取出机构3、5取出。整套装置密闭, 可通At B氧化性保护气体以保护模具表面。
成型方法:由于热压成形工艺特别是退火速率对玻璃材料的折射率和色散系数有较大影响, 因此, 对玻璃光学性能有较高要求的模压透镜.需要在设计之前初步确定热压成形工艺.通过预估或试验来获得玻璃折射率和色散系数的变化量, 优化光学设计, 从而保证模压后透镜材料特性的实际值满足设计公差要求。然后根据最终的透镜设计完成精密模具和玻璃预型片的设计与制作。
玻璃之所以能够精密模压成型, 主要是因为使用了与高温软化的玻璃不发生粘连的模具材料。原来的玻璃透镜模压成型法, 是将熔融状态的光学玻璃液倒入高于玻璃转化点50℃以上的低温模具中加压成形。这种方法不仅容易发生玻璃粘连在模具上, 而且产品还容易产生气孔和冷模痕迹 (皱纹) , 不易获得理想的形状和面形精度。后来, 采用特殊材料精密加工成的压型模具, 在无氧气氛中, 将玻璃和模具一起加热升温至玻璃的软化点附近, 利用模具对玻璃施压 (见图3.2) 。接下来, 在保持压力的状态下, 一边冷却模具, 使其温度降至玻璃的转化点以下 (玻璃的软化点时的玻璃粘度约为107.6泊, 玻璃的转化点时的玻璃粘度约为1013.4泊) 。这种将玻璃与模具一起实施等温加压的办法叫等温加压法, 是一种比较容易将模具形状表面精密复制的方法。这种方法缺点是:加热升温、冷却降温都需要很长的时间, 因此生产速度很慢。为了解决这个问题, 于是对此方法进行了卓有成效的改进, 即在一个模具装置中使用数个模具, 以提高生产效率 (见图3.3) 。然而非球面模具的造价很高, 采用多个模具势必造成成本过高。针对这种情况, 进一步研究开发出与原来的透镜毛坯成型条件比较相近一点的非等温加压法, 借以提高每一个模具的生产速度和模具的使用寿命。另外, 还有人正在研究开发把由熔融炉中流出来的玻璃直接精密成型的方法。
现在最有代表性的模具材料是:以超硬合金做基体, 表面镀有贵金属合金和氮化钛等薄膜;以碳化硅和超硬合金做基体, 表面镀有硬质碳、金刚石状碳等碳系薄膜;以及Cr2O-Zr O2-Ti O2系新型陶瓷。模具材料需要具备如下特征: (1) 表面无疵病, 能够研磨成无气孔、光滑的光学镜面; (2) 在高温环境条件下具有很高的耐氧化性能, 而且结构等不发生变化, 表面质量稳定, 面形精度和光洁度保持不变; (3) 不与玻璃起反应、发生粘连现象, 脱模性能好; (4) 在高温条件下具有很高的硬度和强度等。
四、光学非球面透镜应用
目前光学玻璃透镜模压成型技术, 已经用来批量生产精密的非球面透镜。归纳起来, 使用非球面透镜可以取得的效果, 大体上有以下几个方面:第一可以提高成像质量等光学性能;第二可以实现大口径等高规格镜头;第三可以减少构成镜头的镜片数;第四可以减少镜头全长, 利于镜头的小型化。
其应用主要用于制造军用和民用光学仪器中使用的球面和非球面光学零件, 如各透镜、棱镜、以及滤光片等;在光通信方面如光纤耦合器中的应用;在光盘机、光纤耦合装置以及条形码扫描器等一些产业规模很大的光电仪器中的应用;制造照相机取景器非球面透镜、电影放映机和照相机镜头的非球面透镜等。
五、结论
非球面玻璃透镜模压在日本, 韩国及台湾地区经过多年的探索, 目前已经用于大规模批量生产。目前我国在玻璃透镜模压的开发处于起步阶段, 虽然在低熔点玻璃的开发通过与日本玻璃生产厂商的合作近几年发展很快, 不断有新的牌号填充空白领域, 但在非球面透镜精密模压大规模生产方面与国外差距较大, 压型设备及模具还受制于进口。国内少数几家公司已经开始探索批量生产模压非球面透镜, 但由于模具需要整套进口, 所以成本较高, 而且生产的透镜良率较低。鉴于这项技术本身具有很高的经济和军事价值, 因此我国深入开展此方面的研究具有十分重要的现实意义。
摘要:本文通过阐述精密型料成形技术, 非球面透镜的压型制程, 详细介绍了低熔点玻璃精密模压制造技术的工艺特点以及适用性。
关键词:光学玻璃,非球面透镜,精密模压
参考文献
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光学制造 篇3
1 泡沫实型的点数据采集与分析
一般来说, 采用三坐标划线机是对泡沫实型进行加工余量检测的主要方式。编程人员事先会将加工型面的理论数据以数据表的形式呈现出来。检测人员则会检测泡沫实型的对应位置。这种检测方式是依据数据表来对余量的大小进行判定的, 但难以全面地对泡沫的实型整体进行加工余量分析。由于设备检测范围的限制, 不方便对大型工件进行检测, 导致无法对检测后的结果存档。若是铸件毛坯加工型面发生变形、余量不均衡或加工余量不够, 就难以对其所存在的问题进行合理的判断。
通过对照相测量系统的应用范围加以扩展, 来将应用单反相机将模具铸件泡沫实型的离散点3D坐标进行快速采集。并通过比较分析照相采集数据与理论实体数模, 便可将泡沫实型加工余量的分布状态体现出来。此种检测方式, 可以对余量结果进行数据化分层, 并能够利用不同的色彩来区分出余量的偏差结果。从而能够使相关人员直观地检查与判定出工件余量分布是否合理。
较之三坐标划线机检测方式, 点照相检测方式有以下优点:一是能够将编程人员给予检测数据点出图这一步骤省去;二是能够使检测中发生的人为失误加以防止;三是对铸件整体余量分布状态可以进行综合评定, 从而使手工修改时间得以减少;四是使三维数据的检测结果得以保留, 从而使日后查验变得更加便捷;五是能够提高检测效率;六是能够使加工余量及铸造缩比的设置参数得到进一步的优化。而实施此项目不但能够使泡沫实型的制作工艺得到进一步的提升, 而且能够实现实型制作、实型检测、铸件检测及加工基准的统一。
2 铸件毛坯的点数据采集与分析
一般来说, 铸件加工采用试切的手段, 无对刀基准及表面余量检测环节, 但结果占用了过长的数控设备准备时间, 降低了机床的有效利用率, 且安全性不高。甚至在加工过程中, 对导致撞刀的事故发生, 从而造成刀具的损坏, 工件的报废等不良现象的发生。所以, 无人化的程序自动加工一直未能得以实现。
点照相测量技术可以全部采集出以离散3D点呈现出来的铸件全部的加工型面。此种技术所遵循的原则为:先以导向部分余量均匀为主, 然后再检测其他结构面的余量, 使坐标系的平移量得以确定。当铸件发生较大的变形量时, 则需利用均分导板余量的手段, 使坐标系建立起来。而检测结果若是发现部分精加工面未有加工余量, 则就由于铸件变形所致。处理方法为一侧连接板面拉直, 以另一侧连接板的加工余量取中, 再向坐标系偏移, 用两侧相对余量较为均匀的面作建系标准。
在铸件检测上, 点照相技术有如下优点:一是离散3D偏差量可以将铸件的余量状态反映出来;二是把数控机床试刀的过程取消, 从而在数控机床前使铸件毛坯对其加工余量的比较分析得以解决, 以防发生撞刀事故。二是利用平移数据点的坐标, 使数控加工的最小余量得以满足, 并使型面余量变得更均匀。从而将二维结构面无人化程序自动加工得以实现。如此一来, 不但使数控机床的有效时间得以提高, 而且还使成本的消耗量得以降低。三是利用采集与整理大量的铸件毛坯, 并在确保稳定的铸件余量的情况下, 来使铸件毛坯的余量值得以降低, 使模具成本得以节约。
3 模具型面的点云数据采集与分析
当前, 大型三坐标测量机是汽车覆盖件冲压模具质量控制的主要依据。其利用对离散点采集的手段, 将模具表面与理论数据的偏差状态得以确认。但其所测量的数据的片面性较大, 例如对数控加工经常出现的段差问题难以体现出来。
而在检测时, 利用光学扫描设备, 来全方位的对数控加工后的模具型面与功能面进行点云数据采集, 便可以全面分析模具的制造精度。此种方式不仅能够使型面产生的断差检测难的问题得以解决, 而且可以提供更有效的修正凭据, 使单品模具的制造精度得到显著的提升。
4 数据化虚拟合模技术
作为汽车覆盖件模具调试工艺方法及检测技术的创新, 虚拟合模技术就是利用扫描数据对计算机模具的综合加工精度与合模间隙的分析, 来使检测单件精度的传统模式逐渐向组合装配检测方向提升。其优势是能够利用观察着色来对模具的合模效果进行判定, 从而消除占用压机时间过长的缺陷。
虚拟合模分析是通过白光扫描设备来对模具进行全方位的扫描检测, 将其表面数据提取出来, 并充分对料厚补偿进行考虑, 在依据一定的基准规则, 将上下模具的扫描数据进行虚拟合模, 从而了解入调前的模具的综合合模间隙分布。
以上所提供的模具研修方案, 能够体现出模具以往所存在的凹角加工的缺陷, 以及模具导向是否匹配, 型面加工是否合理等问题。从而使调试工人对模具合模间隙状况能够得以更好的掌握。
而对于对称零件, 应将单侧零件模具进行重点调试, 再当此侧模具稳定成形后, 可利用虚拟合模技术来将手工修磨的结果进行数据分析。并将模具的修磨过程进行详细记录, 以此作为另一侧模具调试工作的指导基础。此外, 还可利用对点云数据的对称扫描, 来进行手工调整大区域的编程数控加工。还应注意的是, 在对前工序进行手工打磨处理后, 还应依据该方案对后工序进行编程加工, 如此一来, 不仅使数据基准的一致性得到了很好的保证, 而且又使钳工的手工研修量得到了大大的降低, 从而在整体上, 将模具制造周期进行缩短。
结束语
当前, 对于我国汽车冲压模具行业较低的铸件制造水平, 以及数控加工自动化程度不高等现实问题, 为此本文提出了光学检测技术在汽车冲压模具制造过程中的应用的解决对策, 并从泡沫实型的点数据采集与分析;铸件毛坯的点数据采集与分析;模具型面的点云数据采集与分析;以及数据化虚拟合模技术这四个方面进行了阐述与研究, 希望能够为相关人员提供一些有益的帮助。
参考文献
[1]闫巍, 张健, 王文瑞等.汽车覆盖件冲压模具的结构变形分析[J].汽车工艺与材料, 2013 (1) .
[2]陈军, 石晓祥, 姚兴等.汽车覆盖件冲压工艺/模具计算机辅助技术的发展现状[J].锻压技术, 2012 (6) .