本发明专利技术公开了一种超声波-兆声波复合频率全自动光学元件清洗装置，覆盖低、中、高频超声波、兆声波频率，特别是针对光学元件的超洁净清洗要求，选择合适程序和工艺参数，能有效去除光学元件表面从微米级到纳米级的污染物。主要特征包括：设计了超声波溶液浸泡清洗槽、兆声波清洗槽和喷淋槽；采用了不同频率超声、兆声波，覆盖从微米到纳米尺寸的清洗需求；采用气缸带动工件在槽体中上下往复运动，结合超声、兆声波发生器的扫频功能，防止驻波场波节发生在工件表面固定区域，避免表面损伤；槽体采用溢流循环加热过滤；采用梯形锯齿型溢流边沿设计增加溢流前沿的总长度以获得均匀稳定的溢流；工件倾斜夹持装置配合风刀与慢提拉机构进行工件干燥。
【技术实现步骤摘要】
一种超声波-兆声波复合频率全自动光学元件清洗装置
本专利技术涉及一种超声波-兆声波复合频率全自动光学元件清洗装置，特别适用于大尺寸、高精度光学元件的超洁净清洗，频率覆盖低、中、高频和兆声频率，能够有效去除光学元件表面从微米级到纳米级尺度的有机、无机污染物。
技术介绍
现代高精度光学系统对光学元件表面的洁净度要求越来越高，传统常规工艺加工的光学元件表面存在油污、微粒、人体污染等成分复杂的污染物。在激光陀螺的研制中，为了提高环形腔的闭锁阈值，要求环形腔的高反片具有极低损耗和很高的反射率，薄膜反射率甚至达到99.99%以上。由于光学基板表面微米、纳米级污染物引起的散射损耗是其中一种重要的损耗形式，光学表面微米级、纳米级颗粒会导致激光陀螺在运行中的等离子体放电损伤，严重影响激光陀螺的有效寿命。激光薄膜的损伤阈值一直是提高激光系统输出功率的制约因素之一，也是强激光技术进一步发展的瓶颈因素之一。薄膜元件表面的污染一方面会使光束质量发生变化，导致光束能量重新分布，另一方面会引起光学元件的局部吸收过高而引起损伤阈值下降，甚至破坏光学元件。因此必须对光学元件的基板表面洁净度提出严格的要求。根据损伤机理的不同，将影响损伤阈值的因素分为微米级节瘤缺陷和纳米吸收中心，节瘤缺陷起源于基板表面或薄膜中间的某种种子源，种子源被后续的薄膜包裹，在薄膜表面形成的球冠状突起。种子源指的是形成节瘤的微米量级大小的杂质。节瘤区域与无节瘤区域界面的力学稳定性较差，在较高能量的激光辐照下，由于电场放大效应，使节瘤内部温度场分布不均，从而产生热应力，沿力学最薄弱的路径造成薄膜损伤。纳米吸收中心的损伤都是由纳米量级大小的吸收源（最小的吸收源粒径低于10nm）熔融或者等离子体化开始的。吸收源可能是抛光、研磨、清洗过程中残留在基板表面及亚表面的颗粒或者是未被完全氧化的金属纳米微颗粒。根据颗粒的尺度不同可将污染物分为如下三种：（1）数微米及以上数十微米的大尺度颗粒；（2）数百纳米至1μm的亚微米尺度颗粒；（3）纳米吸收中心。通过镀膜前对基板的清洗，去除种子源和纳米吸收中心，能有效提高光学元件损伤阈值。对于高功率激光薄膜基板表面来说，常用的清洗方法有水合平面旋转法、RCA法和超声波清洗法。RCA法最早应用于半导体行业，属于湿法化学清洗中的最基础和最广泛使用的一种。另一种广泛使用的清洗技术是超声波清洗技术，其与精密制造工业密切相关。超声清洗设备基本由超声波发生器、超声换能器和清洗槽三部分组成。超声波发生器产生高频电信号，超声换能器将电能转化为机械能，清洗槽用来盛放清洗液，是超声波清洗装置的核心器件。超声清洗的主要原理是超声空化效应。在空化作用过程中，连续不断地产生瞬间高压就像一连串小“爆炸”不断地冲击物件表面，可以击碎不溶性污染物使它们散落到清洗液中。冲击压力还可以使清洗液中的膜料粒子以极高的速度撞击工件表面和缝隙中的污垢，使其侵蚀而迅速剥落，从而达到元件表面净化的目的。空化作用产生的气泡必须达到一个不稳定的最小尺寸才会发生“爆炸”，如果气泡的生长局限在一个范围内，就只能形成振荡而无法发生“爆炸”，会大大降低超声波的作用。高频率的超声相比于低频率的超声，不需要太大的空间，更容易在靠近表面的位置产生空化的气泡。超声波的频率越高，产生的气泡尺寸就越小，如图1.2所示。高频产生的气泡尺寸较小，形状复杂的元件表面或者尺寸较小污染在高频下更容易被去除。除了空化效应外，对清洗起作用的还有辐射压和声流。辐射压是大振幅声波在介质中传播时，对阻挡的物体产生压力；声流则是由于声场的存在而引起介质的流动，二者都能够起到搅拌作用。超声波清洗的基本原理是当超声波通过液体冲击表面时，在靠近表面的位置处会形成一个超声边界层，气泡振动引起的微冲流在液体中运动，当表面的污染颗粒尺寸大于超声边界层的厚度，污染颗粒在边界层的部分会受到微冲流的作用，边界层的厚度与超声波频率成反比，由下式计算得到：(1)其中是液体的动粘滞系数，是超声波的振动频率。对于水，当超声波频率为40kHz时，边界层厚度为2.82μm，超声波频率为400kHz时，边界层厚度为0.89μm，采用1400kHz的兆声波清洗时，边界层厚度为0.48μm。边界层的尺寸决定了超声对不同尺寸微粒的清洗效率，超声波频率较低时，边界层厚度较大，较小的颗粒会“躲藏”在边界层里，微冲流难以接触，去除变得困难；反之，边界层厚度越小，微冲流对颗粒污染的接触面积就越大，越容易去除颗粒。基于超声波清洗原理，开发了很多手动、自动超声波清洗机，有效地提高了产品的清洁度，在工业领域、精密光学制造领域得到了广泛的应用。常规超声波清洗机包括超声波清洗槽、漂洗槽，辅助装置还包括机械传动装置、清洗液回流过滤、温度控制装置、喷淋装置以及烘干设备等。如专利“CN201320528237.8，一种光学镜片清洗机”，专利“CN201320528373.7，光学镜片清洗机”，都涉及到清洗机的设计，多槽清洗机如“CN200920075342.4，一种用于光学镜片镀膜前的超声波清洗机”和专利“CN200910055446.3一种用于光学镜片镀膜前的超声波清洗机及其处理方法”两种类似的多槽清洗机，装置特征：搬运装置上有移动梁，梁上均安装着抓钩，钩上挂着清洗篮；不同工序位有不同装置完成，它们是液体槽体配合摆动装置、脱水装置、干燥装置、完成各自工序。但是，传统的化学溶液湿法清洗工艺和超声波清洗装置进行光学元件清洗、干燥时，由于受表面张力和黏度的限制，对极微小颗粒进行清洗的时候，很难彻底地清洗干净。特别是超声波清洗中超声波频率的限制，随着污染物尺寸的降低，清洗效率大大降低，难以有效去除对纳米级污染物颗粒的影响，目前尚未见到覆盖从微米级到纳米级污染微粒去除的全自动清洗装置的报道和专利。为了解决传统清洗无法同时对微米级和纳米级微粒清洗，且大量耗水、污染环境等一系列问题，开发了超声波-兆声波复合频率全自动光学元件清洗装置，实现了对光学元件的全自动清洗，清洗试验表明，使用该装置清洗光学元件后，能够有效去除的元件表面的微米级、纳米级污染物。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种超声波-兆声波复合频率全自动光学元件清洗装置。本专利技术提出的一种超声波-兆声波复合频率全自动光学元件清洗装置，包括清洗槽框架1、槽位、控制柜11、机械臂12，所述清洗槽框架1是一个不锈钢整体框架，所述7个槽位和工件上架区和工件下架区位于清洗槽框架1内，自左向右7个槽位依次为溶液浸泡超声清洗槽位3、喷淋槽位4、溶液兆声清洗槽位5、第一超声波漂洗槽位6、第二超声波漂洗槽位7、兆声波漂洗脱水槽位8和干燥槽位9，清洗槽框架1的一端设有工件上架区2，另一端设有工件下架区10；所述清洗槽框架1上安装第一导轨13，所述机械臂12架设于第一导轨13上，使机械臂12能在导轨13上来回移动，到达不同槽位和工件上架区或工件下架区；控制柜11位于清洗槽框架1一侧，通过电缆分别连接位于溶液兆声清洗槽5内的超声发生器以及位于第一超声波漂洗槽位6内的兆声波发生器；所述溶液浸泡超声清洗槽位3、溶液兆声清洗槽位5、第一超声波漂洗槽位6和第二超声波漂洗槽位7均由槽体结构和工件上下往复运动支架组成，分别架设在清洗槽框架1上的槽位内；兆声波漂洗脱水槽位8由槽体本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种超声波‑兆声波复合频率全自动光学元件清洗装置，其特征在于：包括清洗机框架(1)、槽位、控制柜(11)、机械臂(12)，所述清洗槽框架(1)是一个不锈钢整体框架，所述(7)个槽位和工件上架区和工件下架区位于清洗机框架(1)内，自左向右(7)个槽位依次为溶液浸泡超声清洗槽位(3)、喷淋槽位(4)、溶液兆声清洗槽位(5)、第一超声波漂洗槽位(6)、第二超声波漂洗槽位(7)、兆声波漂洗脱水槽位(8)和干燥槽位(9)，清洗槽框架(1)的一端设有工件上架区(2)，另一端设有工件下架区(10)；所述清洗槽框架(1)上安装第一导轨(13)，所述机械臂(12)架设于第一导轨(13)上，使机械臂(12)能在导轨(13)上来回移动，到达不同槽位和工件上架区或工件下架区；控制柜(11)位于清洗机框架(1)一侧，通过电缆分别连接位于溶液兆声清洗槽(5)内的超声发生器以及位于第一超声波漂洗槽(6)内的兆声波发生器；所述溶液浸泡超声清洗槽位(3)、溶液兆声清洗槽位(5)、第一超声波漂洗槽位(6)和第二超声波漂洗槽位(7)均由槽体结构和工件上下往复运动支架组成，分别架设在清洗机框架(1)上的槽位内；兆声波漂洗脱水槽位(8)由槽体结构和慢提拉机构组成，分别架设在清洗机框架(1)上；根据超声波边界层的尺寸，所述溶液浸泡超声波清洗槽(3)的配置为40/80/120/140/170/220/270kHz的7频复合频率超声波发生器，所述溶液兆声波清洗槽(5)的配置为430kHz、1.3MHz的复合频率兆声波发生器，第一超声波漂洗槽(6)的配置为40/80/120/140/170/220/270kHz的7频复合频率超声波发生器，第二超声波漂洗槽(7)的配置为80/120/140/170/220/270kHz的6频复合频率超声波发生器，兆声波漂洗脱水槽(8)的配置为430kHz、1.3MHz的复合频率兆声波发生器，所有超声波发生器、兆声波发生器都具有扫频功能，频率扫描范围±5%；所述槽体结构都包含液体溢流循环过滤加热结构，槽体结构包括主槽体(14)、储液槽(15)、循环水泵(16)、精密过滤器(17)、电磁阀和加热棒(23)，主槽体(14)采用四周为溢流边的槽体，一侧设有储液槽(15)，主槽体(14)内的水溢出后流进储液槽(15)；储液槽(15)上方一侧设有进水口，所述进水口上设有第一电磁阀(18)，下方设有出水口，所述出水口分别通过管道连接第二电磁阀(19)和第五电磁阀(22)，所述主槽体(14)侧面下端有出水管，所述出水管通过管道连接第四电磁阀(21)和所述第二电磁阀(19)通过管道依次连接循环水泵(16)和精密过滤器(17)，所述加热棒(23)位于储液槽(15)内；主槽体(14)内的水溢出后流进储液槽(15)；；打开第二电磁阀(19)，关闭第三电磁阀(20)、第四电磁阀(21)和第五电磁阀(22)，使储液槽(15)内液体通过管道经循环水泵(16)和精密过滤器(17)进入主槽体(14)，并由主槽体(14)的溢流边回流到储液槽(15)，实现主槽体(14)和储液槽(15)之间液体的大循环，用于清除漂浮于水中的颗粒;打开第三电磁阀(20)，关闭第二电磁阀(19)、第四电磁阀(21)和第五电磁阀(22)，使主槽体(14)内液体通过管道经循环水泵(16)和精密过滤器(17)进入主槽体(14)，实现主槽体自循环，用于去除堆积于槽底的颗粒；第一电磁阀(18)控制储液槽(15)的进水，打开第四电磁阀(21)实现主槽体的排水，打开第二电磁阀(19)和第五电磁阀(22)实现储液槽的排水；加热棒(23)用于对储液槽内的液体加热，液体温度可在20℃～75℃之间调节，温度控制精度在±0.2℃。...
【技术特征摘要】
1.一种超声波-兆声波复合频率全自动光学元件清洗装置，其特征在于：包括清洗槽框架(1)、槽位、控制柜(11)、机械臂(12)，所述清洗槽框架(1)是一个不锈钢整体框架，7个槽位和工件上架区和工件下架区位于清洗槽框架(1)内，自左向右7个槽位依次为溶液浸泡超声清洗槽位(3)、喷淋槽位(4)、溶液兆声清洗槽位(5)、第一超声波漂洗槽位(6)、第二超声波漂洗槽位(7)、兆声波漂洗脱水槽位(8)和干燥槽位(9)，清洗槽框架(1)的一端设有工件上架区(2)，另一端设有工件下架区(10)；所述清洗槽框架(1)上安装第一导轨(13)，所述机械臂(12)架设于第一导轨(13)上，使机械臂(12)能在导轨(13)上来回移动，到达不同槽位和工件上架区或工件下架区；控制柜(11)位于清洗槽框架(1)一侧，通过电缆分别连接位于溶液兆声清洗槽位(5)内的超声发生器以及位于第一超声波漂洗槽位(6)内的兆声波发生器；所述溶液浸泡超声清洗槽位(3)、溶液兆声清洗槽位(5)、第一超声波漂洗槽位(6)和第二超声波漂洗槽位(7)均由槽体结构和工件上下往复运动支架组成，分别架设在清洗槽框架(1)上的槽位内；兆声波漂洗脱水槽位(8)由槽体结构和慢提拉机构组成，分别架设在清洗槽框架(1)上；根据超声波边界层的尺寸，所述溶液浸泡超声清洗槽位(3)的配置为40/80/120/140/170/220/270kHz的7频复合频率超声波发生器，所述溶液兆声清洗槽位(5)的配置为430kHz、1.3MHz的复合频率兆声波发生器，第一超声波漂洗槽位(6)的配置为40/80/120/140/170/220/270kHz的7频复合频率超声波发生器，第二超声波漂洗槽位(7)的配置为80/120/140/170/220/270kHz的6频复合频率超声波发生器，兆声波漂洗脱水槽位(8)的配置为430kHz、1.3MHz的复合频率兆声波发生器，所有超声波发生器、兆声波发生器都具有扫频功能，频率扫描范围±5%；槽体结构都包含液体溢流循环过滤加热结构，槽体结构包括主槽体(14)、储液槽(15)、循环水泵(16)、精密过滤器(17)、电磁阀和加热棒(23)，主槽体(14)采用四周为溢流边的槽体，一侧设有储液槽(15)，主槽体(14)内的水溢出后流进储液槽(15)；储液槽(15)上方一侧设有进水口，所述进水口上设有第一电磁阀(18)，下方设有出水口，所述出水口分别通过管道连接第二电磁阀(19)和第五电磁阀(22)，所述主槽体(14)侧面下端有出水管，所述出水管通过管道连接第四电磁阀(21)，所述第二电磁阀(19)通过管道依次连接循环水泵(16)和精密过滤器(17)，所述加热棒(23)位于储液槽(15)内；主槽体(14)内的水溢出后流进储液槽(15)；打开第二电磁阀(19)，关闭第三电磁阀(20)、第四电磁阀(21)和第五电磁阀(22)，使储液槽(15)内液体通过管道经循环水泵(16)和精密过滤器(17)进入主槽体(14)，并由主槽体(14)的溢流边回流到储液槽(15)，实现主槽体(14)和储液槽(15)之间液体的大循环，用于清除漂浮于水中的颗粒；打开第三电磁阀(20)，关闭第二电磁阀(19)、第四电磁阀(21)和第五电磁阀(22)，使主槽体(14)内液体通过管道经循环水泵(16)和精密过滤器(17)...
【专利技术属性】
技术研发人员：王占山，沈正祥，丁涛，来颖，江浩，苏静，崔勇，
申请(专利权)人：同济大学，上海天粹自动化设备有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。