[發(fā)明專利]一種光學元件表面高頻振動共形加工裝置和方法

有效

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• 申請日: 2013-10-11
• 公開（公告）號: CN103495909B
• 公開（公告）日: 2016-11-30
• 發(fā)明（設計）人: 施春燕;萬勇建;張亮;徐清蘭
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: B24B1/04
• 分類號: B24B1/04
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;李新華

技術領域

本發(fā)明涉及一種光學元件表面高頻振蕩加工方法和裝置，屬于先進光學制造技術領域。

背景技術

現(xiàn)代光學制造工程具有顯著的極端制造特征，即在極端技術條件要求的背景下，制造極端尺度或極高功能器件或功能系統(tǒng)的大科學工程。我國目前正面臨著完成大口徑望遠鏡系統(tǒng)、納米尺度光刻系統(tǒng)和高功率激光系統(tǒng)等典型的極端光學研制工程任務。這些系統(tǒng)光學元件要求口徑越來越大，相對孔徑越來越高，面形質(zhì)量也在極大的提高。不僅是傳統(tǒng)意義評價手段PV和RMS的提高，許多光學系統(tǒng)在面形中高頻誤差方面也有了明確的要求。

現(xiàn)代科技發(fā)展對高精度光學元件的需求，迫使其相應的光學加工技術不斷完善、發(fā)展和創(chuàng)新。而且，隨著需求量的不斷增加，相應的光學元件加工技術不但要具有高精度和高可靠性，而且還應具備高效率、成批生產(chǎn)加工的能力。對目前光學加工技術提出挑戰(zhàn)的高精度加工元件有非球面和異形曲面，而非球面的主要加工方法是傳統(tǒng)的研磨拋光方法，其原理為磨具與鏡面在全口徑范圍的剛性相對研磨與拋光，這種方法加工周期長，效率低，面形收斂不穩(wěn)定，其加工出來的非球面光學表面中高頻誤差比較大，嚴重的影響了光學系統(tǒng)的性能。隨著技術的不斷發(fā)展，逐漸對諸如切面尖拱這樣深凹或深凸的小f數(shù)元件和自由曲面元件等異形光學元件提出了使用要求，而其相應的加工原理和可實際運用的加工技術，國內(nèi)尚處于起步階段，有待進行深入的研究。

鑒于對高精度、超光滑非球面、異形光學表面的需求，如何獲得高面形精度以滿足光學系統(tǒng)質(zhì)量的要求，如何實現(xiàn)超光滑表面加工以應對系統(tǒng)能量和對比度的苛刻要求，如何在有限成本的情況下更快效率的滿足需求，都成為亟待解決的問題。

經(jīng)過幾個世紀的發(fā)展，光學加工方法已有很多，按其特點大致可分為材料去除加工法、變形加工法和附加加工法。其中，材料去除加工法是通過去除零件表面材料，使零件表面質(zhì)量達到指標要求；變形加工法主要包括應力變形法、熱壓成形法、光學玻璃透鏡模壓成型法及光學塑料注射成形、鑄造成形和壓制成形等；附加加工法是在光學元件的表面附加一層材料，使之形成所要求的非球面形狀，主要包括真空鍍膜法和復制成型法。變形加工法和附加加工法一般應用于民用大批量低精度系統(tǒng)，很難保證高精度光學系統(tǒng)的需求，去除加工法是目前高精度光學加工的唯一手段。

20世紀70年代起，以美國為代表的發(fā)達國家開始了計算機輔助加工技術的研究，逐漸發(fā)展了多種計算機輔助加工技術。主要有計算機控制小尺寸磨具光學表面成形技術（CCOS）、應力盤拋光加工技術(Stressed-lap?polishing,SLP)、磁流變拋光技術(Magnetorheological?finishing,MRF)和離子束拋光技術（Ion?beam?figuring,IBF）等。目前在我國已相繼發(fā)展了如小工具拋光技術、磁流變拋光技術、離子束拋光技術等數(shù)控新型拋光技術，但新型的拋光技術各有自身優(yōu)缺點和適應范圍。應力盤（SLP）適用于大口徑非球面拋光，拋光效率高、但精度低；離子束（IBF）拋光精度高，但去除效率低。一般而言，應力盤技術、小工具拋光技術把元件面形拋光到一定精度后，需要精度更高但拋光效率更低的拋光技術來進行修正。此外，由于應力盤、小工具以及磁流變等技術的拋光盤適用于一定曲率半徑范圍的工件，不能滿足深凹、深凸等小f數(shù)元件和自由曲面元件的加工。因此，需要不斷發(fā)展新的高精度光學元件先進加工技術和平臺，這種技術和平臺能與其他數(shù)控拋光技術優(yōu)勢互補，實現(xiàn)面形全頻段誤差修正、高效率、高精度和低成本的加工生產(chǎn)。

高頻振動共形拋光技術是一種全口徑覆蓋拋光技術，能適合各種形狀光學表面的拋光，如其他拋光技術難以加工的深凹、深凸、保形光學元件和自由曲面等形狀的異形光學元件；加工效率很高，既可以用于預拋光階段實現(xiàn)快速材料去除，去除效率較傳統(tǒng)預拋光方法提高10-50倍；而且可以通過控制拋光壓力和振動頻率以及選擇合適的共形柔性層材料實現(xiàn)中高頻誤差的平滑抑制，具有中高頻面形誤差平滑的作用。

發(fā)明內(nèi)容

針對光學元件高效加工和非球面等元件加工的中高頻誤差抑制需求，提出一種光學元件表面高頻振蕩共形加工裝置和方法。