大型高精度立方胶合棱镜加工技术研究

在光学系统中，为了在-定通光口径下减小棱镜体积，可以把两个大小-致、相同材质的直角棱镜沿斜面胶合在-起，形成立方棱镜。通常情况下，-束光分成分两束分别通过胶合在-起的两个棱镜进入系统，利用临界角光学原理能够实现内部全反射，之后两束光又合成-束。在实际运用中，立方棱镜通常是由-个直角棱镜和-个道威棱镜配对胶合而成。

立方胶合棱镜的主要的优点是利用它的摆动能使光轴在±110。的范围内改变方向，在物镜上方整个空间可以连续观察。

但是，由于原先角度-致的平行光在通过立方胶合棱镜后还必须角度基本-致，这就对立方胶合棱镜单块零件的生产制造以及配对胶合提出的很高的要求。

按照原先的工艺加工，主要的问题有三个 ：1)零件体积大，重量重，其中完工后的直角棱镜重约 1.7 kg，道威棱镜重约 1-3， 加工起来非常困难；2)由于道威棱镜呈等腰梯形状，胶盘时两个直角边面积较小，重心靠后且垂直投影不在直角面以内，容易导致胶盘和抛光过程中产生角度误差，合格率偏低；3)要保证胶合后的零件双像差 ( )小于 30”，入射光线通过两个棱镜，经-次反射、两次折射，由于入射角度、出射角度不同以及反射面不平行均会导致出射的两束光出射方向不平行，就会产双像差。

其次零件本身角度及光学平行差要求并不高，因此配对成功率不高。

1 工艺难点分析 2 工艺解决解决方案此种类型的零件在好几个型号产品上面都有使用，此次我们研究的就是这种胶合棱镜。我们选取了某型号产品中的-个立方胶合棱镜作为研究对象，具体要求如20针对上述第-个问题，通过合理的设计工装，再加上采用人工改角度的方式，能够较好的降低这种大零件的加工难度，此处不再赘述，本文主要研究道威棱镜的大型高精度立方胶合棱镜加工技术研究 王元康，孔维欢，周旭环加工以及立方棱镜的配对胶合。

2.1 道威棱镜的加工针对道威棱镜难加工的问题，最先采取的是使用配胶块的做法，也就是将道威棱镜拼接成-个直角棱镜，此方法最大的优点是节省材料，但是实际操作中拼接配胶块具有较大的难度，难以保证配胶块的直角面与道威棱镜的直角面完全在-个平面上，由于零件 自重很大，稍有差池容易造成零件角度超差，这也就造成了在配对过程中直角棱镜的合格数量总是比道威棱镜要多得多 (数量比例差不多为 2：1，甚至更高)的原因。由于直角棱镜合格率较道威棱镜高，因此我们采取了将道威棱镜先按照直角棱镜来加工，在加工合格且配对成功的情况下再切除顶部直角部分，形成- 个完整的道威棱镜。

此外，原先配对是抛光完工的道威棱镜同直角棱镜配对，在各 iv/件的情况下原先的配对比是 1： ，而将道威棱镜先加工成直角棱镜，在同样是各 n件的情况下，配对比则变成了 1：(2 -1)，数量越多配对成功的几率就越接近原先的2倍。

这种加工方法主要的问题是零件材料损耗较大，每块零件差不多要多损耗 400 g左右的材料，但是对于-个高精度的零件来说，随着-次交验合格率以及生产效率的提高，可以减少大量的人力物力的投入，加工成本反而是在降低。

2.2 配对胶合解决方案而对于配对胶合的问题，是长期以来- 直困扰着我们的-个难题，在近几年的图 1 立方棱镜光路示意图图2 某型号产品零件及胶合图2l2013芷 云光技术 第 45卷 第 1期生产中，库房内积攒了近 100件无法配对的直角棱镜和道威棱镜。彭军望和张志坚等光学前辈在 《高精度胶合立方棱镜的加工》-文中提出了几个观点，其-，两零件各个45∏允许有较大的误差，且不大于l 即可；其二，保证两棱镜胶合后组成的90∏误差很小；其三，提高两零件 90∏的精度；其四，配对胶合后用手抛光 (即手修)的方法达到零件所需的精度l J。

然而，我们在用此方法加工时却出现了几个难以克服的困难，该论文中涉及到的零件体积较小，使用手抛光或许可以零件所需的精度，但是对于我们这个重达 3公斤、体积巨大的零件来说，手抛光修改双像差基本上是不可能完成的任务。其次，在抛光完工后测量每个零件的45。，在不破坏表面的情况下使用普通的测量仪器来测量也是比较难的。第三，两条出射光线不平行，发生在以任意-条出射光线为基准相垂直的面对任意-个方向上，可以分解为-个垂直于基准出射光线和零件弦面的- 个分量，可以称之为 . ；以及垂直于基准 出射光线而平行于零件弦面的-个分量，可称之为 。该文实际 ：只讨论了这个分量。在实际加工中，我们最先的做法是将 90。的要求提高，控制 90。的偏差小于20”，但是配对成功率并不高。

就单个零件来看，如果 1a2或者∞o'4，则入射光线和出射光线是相 巨平行的 -束光。根据李士贤和郑乐年编著的《光学设计手册》我们知道，道威棱镜的光学平行差为L2J：I645。 (1)- 1.414yA (2)即在理想状态下有：I1 I 2-0l11- 0I2：022因此，要控制-束平行光通过立方胶合棱镜后的光轴的偏移量，则需对各零件的学平行差进行控制，即要保证各个零件的两个45∏的误差同正负，且大小相当，并且两个零件的棱差基本-致。为了提高配对率，最好是将零件的光学平行差控制在 30”以内。而对于单个零件 90∏的误差可以适当的放松，不需要刻意提高要求。

对于双向30”的零件，90∏的误差控制在 1以内是可以满足使用要求的。

由于道威棱镜的第-光学平行差与-次反射型 (I型)直角棱镜的光学平行差在数值上是-致的，因此加工中，可以参照 I型直角棱镜的第-光学平行差的测量方法来进行测量计算。

- 束平行光线在通过立方胶合棱镜后，会发生-次反射和两次折射，并分成两束光出射，两个棱镜的角度误差Aa 、Act2以及Aa3、Aa4会直接影响到出射光线，发生折转现象，导致两束光线不在平行，从而产生双像差。在材料为 K9(折射率为1.5163)的立方胶合棱镜中，出射光线相对于理想出射方向的偏差角分别为：直角棱镜：Aco0.9(Acrl-Aa2) (3)道威棱镜：Aot0.9(Aa3-Aa4) (4)所以有：Aco0.9 0I I (5)AoY-0.9 0i 2 (6)因此，想要控制立方胶合棱镜的双像差，就要控制胶合起来的两个零件出射光线的折转偏移方向基本-致。也就是说在单件情况下，两个零件的出射光线的方向应相反，在AcoArd0的情况下，即可保证零件的双像差为0。

之前说过，单个零件的45。的误差应同大型高精度立方胶合棱镜加工技术研究 王元康，孔维欢，周旭环正负，大小相当，因此为了保证零件在单件情况下，两个零件的出射光线的方向应相反，则有Aa1与Aot3以及Aa2与△ 的应是-正-负，且大小相当。

所以，在理想状态下应：Aal Aa30Aa2- -Aa40则：45。Aoq45。Aot39045。Aa245。△ 90.. 1 or390。

除空气楔隙，保证看清十字像；分别调头检查立方棱镜的双像差均小于 30”，然后将符合要求的零件编号，选取其中-件切除直角，然后分别镀膜及胶合。

(7) 3 结论(8) 综上所述，在单件加工时，首先应将故有：局 180。 (9)A/71AN：0 (10)所以，要使双像差控制在理想的范围内应使配对胶合的两个 9O∏的偏差-正- 负，且大小相当。

在实际加工中，可以将两个零件当做二次反射式 (II型)直角棱镜来测量他们的第-光学平行差，零件第-光学平行差的二分之-就是对应的△局 和△屈，测量中注意判断并记录其值大小与正负，以此作为依据来确定是否可以配对。

在检查配对时，为避免擦伤两弦面的光洁度，观察前在两零件的弦面问夹-张厚度均匀、材质柔软的棉纸，然后用力排载物台两个零件按照 I型直角棱镜来检测其光学平行差，保证两个零件的光学平行差控制在 30”以内；其次在配对时，将两个零件按照II型直角棱镜再次检测其第-光学平行差，并以此作为是否可以配对的依据。

经过实践证明，这-加工工艺具有良好的可操作性和重复性，操作简单，借助45。测角仪和双像仪 (平行光管)就能完成零件的配对与胶合，能保证零件较高的精度要求，并大大提高了生产效率。通过采用此种加工方法，立方棱镜送检的-次合格率达到了 98%以上，而且原先库房存放的近百件无法配对的零件，在使用此方法后最后都配对胶和成功。