平板类光学元件环形抛光面形精调方法技术

本发明专利技术公开了一种平板类光学元件环形抛光面形精调方法，利用平板类光学元件在环抛过程中的热变形来调节其反射/透射面形变化，在抛光模面形保形期创造一种快速、可控的元件面形高低转化，能够大幅提升该类元件环形抛光反射/透射波前分布控制效率。本发明专利技术特别适用于热膨胀系数大、易变形的平板类光学元件，如400mm口径激光钕玻璃片状元件，有效克服了该类元件环形抛光过程中面形控制的不确定性，米量级平板类光学元件的加工精度，面形PV优于1/5λ(λ＝632.8nm)，GRMS优于1/90λ。

Surface polishing method for ring polishing of flat optical elements

The invention discloses a fine tuning method for plate type optical element ring polishing surface, which uses the thermal deformation of the plate optical element in the ring throwing process to adjust the change of reflection / transmission surface shape. It creates a fast and controllable component surface transformation in the shape preserving period of the polishing die, and can greatly improve the ring throwing of the element. Light reflection / transmission wavefront distribution control efficiency. The invention is especially suitable for the flat plate optical elements with large thermal expansion coefficient and easy deformation, such as the 400mm caliber laser Nd glass piece, effectively overcome the uncertainty of surface control in the ring polishing process of this kind of element, the machining precision of the meter level plate optical element, the surface shape PV is superior to the 1/5 lambda ([lambda = 632.8nm), and the GRMS is better than 1/. 90 lambda.

【技术实现步骤摘要】
平板类光学元件环形抛光面形精调方法
本专利技术属于光学冷加工领域，具体涉及平板类光学元件环形抛光面形控制方法。
技术介绍
相对于小工具数控加工技术，环形抛光技术(环抛)可以对工件整个表面进行全口径抛光，中高频指标控制精度高，并能同时兼顾抛光效率和质量，成为高精度平面类光学元件加工的首要选择。环抛系统通常由校正盘、抛光模、工件及工件环等要件组成。常见的环抛设备主要包括一个由电机驱动旋转的大理石抛光盘，在抛光盘上表面浇筑一层均匀的抛光模，抛光模中间开孔，形成环状。抛光模的面形利用一个大理石或玻璃材质的校正盘来修正，其直径一般需大于抛光模的环宽。环抛机工作时，以电机驱动抛光盘绕自身的中心轴以一定角速度自转，同时不断向抛光模上滴定抛光液，抛光模上开槽以使抛光液流动。可放置一个或多个加工工件，校正盘和工件也以一定的角速度在抛光模上自转。抛光液中含有特殊粒径、尺寸、形状的抛光粉颗粒，工件与抛光粉之间通过机械化学作用来达到去除材料以得到光滑工件表面的目的。通常情况下工件面形由抛光模面形决定。然而对于大口径环抛，特别是超大口径环抛系统(例如φ4.4m环抛)，抛光模面形保形期和修形期均特别长，依靠改变抛光模面形来控制工件面形离焦变化，周期长、可控性差、效率低。所谓修形期是指从抛光模面形破坏后重新修正到可以完成工件加工所需的时间；而保形期是指抛光模面形稳定在精度较高的水平上维持不变的一段时间。当抛光模面形处于保形期时，所加工的工件反射或透射波前并不能保证一定合格，特别是透射波前指标，由于工材料均匀性等方面的影响，往往和单面面形精度相差很多。这时需要创造一种条件，让工件面形缓慢变化，形成一个由低到高、或由高到低可控的变化趋势，进而提升工件反射/透射面形合格效率。超薄、易变形的平板类光学元件，如大型激光系统中常用的400mm口径钕玻璃片状元件，典型尺寸为810mm*460mm*40mm，径厚比达23.5:1。该类元件上下表面存在温差时，会发生球面变形，球面变形的矢高Δh由以下公式计算：其中α为元件热膨胀系数，D为元件直径，h为元件厚度，Δt为上下表面温差。以上述钕玻璃元件为例，当上下表面温差为0.1℃时，变形约1.07λ。
技术实现思路
本专利技术原理如下：当抛光模面形处于保形期时，平板类光学元件的面形变化主要由其上下表面温差导致的热变形引起。图1数据显示在一个刮盘周期内，上述钕玻璃元件面形变化与工件上下表面温差基本成正比。刮盘周期后期数据略有偏离，是由于表面摩擦系数下降导致去除率降低所致。对于这类光学元件，通常的加工思路是尽量减少温差导致的元件变形，利用抛光模面形变化来控制元件面形；本专利技术通过控制环抛过程中的上下表面温差来实现所加工光学元件的面形变化，大幅提升了光学元件面形合格效率。环抛系统存在两个热源：摩擦生热热源和传质散热热源。两个热源共同决定了盘面与环境的温度关系，同时决定了工件的温差。其他传热过程如抛光液与盘面的换热、系统表面与空气的对流换热、辐射换热等认为是补偿了两个热源之间的功率差异而使系统温度达到稳定。凡是影响两个热源的因素都会影响工件温差。因而影响工件温差的因素主要可以归为两类：1、影响工件/抛光模摩擦生热功率的因素2、影响抛光液蒸发传质散热功率的因素，如转速、摩擦系数、抛光液浓度影响摩擦生热功率；环境温湿度、风速等影响蒸发散热量。这些因素最终对盘面温度及工件温差均有很大的影响。在环境温湿度、风速、盘面摩擦系数、抛光液浓度/流量等因素得到稳定控制的情况下，工件上下表面温差与大盘转速近似成正比，如图2所示。因此，在特定条件下可以预计工件面形变化量ΔP与大盘转速变化量Δω近似成正比，用经验公式：ΔP＝K*Δω(2)来表示。其中K为比例系数，其数值与具体加工时的环境温湿度、风速、盘面摩擦系数、抛光液浓度/流量等工艺参数相关，一般需通过实验来标定。本专利技术的技术解决方案如下：一种平板类光学元件环形抛光面形精调方法，包括以下步骤：步骤1)抛光模修形：将抛光盘的转速调至其可调范围的中间值，利用改变校正盘偏心率的方式对抛光模进行修形，在修形过程中使用干涉仪测量所述的光学元件面形，直至该光学元件面形PV小于1λ，且像散小于0.3λ，然后根据抛光模的面形变化特点，选择合适的偏心距，使之进入面形保形期。步骤2)标定抛光盘转速调节量与元件面形变化量的比例系数K；步骤3)保持工件环/抛光盘的转速比为1，调节抛光盘转速对面形进行精调：若元件面形为低圈，则需调高抛光盘转速，调节量计算公式如下：式中：ΔP为当前面形离焦与指标要求的差值；若元件面形为高圈，则需调低抛光盘转速，调节量计算公式如下：式中：ΔP为当前面形离焦与指标要求的差值；步骤4)每抛光4-6小时后下盘，利用干涉仪检测面形，如果面形检测结果与指标要求有偏差，则返回步骤3)，进行再次加工，直至达到指标要求。所述的标定抛光盘转速调节量与元件面形变化量的比例系数K,具体如下：保持工件环/抛光盘的转速比为1，改变抛光盘转速，抛光至少4小时后下盘测量元件面形，重复10次或以上；然后以元件面形离焦为Y轴，抛光盘转速为X轴，对数据进行线性拟合，斜率即为比例系数K。与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：1)实现对米量级平板类光学元件的加工精度，面形精度PV值达到1/5λ，GRMS值达到1/90λ。2)由于大盘转速调节精度高，相对于传统的校正盘偏心率控制面形的方式，该方法对面形变化的可控性更高，有利于提升面形合格效率，形成高效率的批量加工能力。附图说明图1是400mm口径钕玻璃元件面形圈量与上下表面温差的关系图；图2是400mm口径钕玻璃元件上下表面温差与大盘转速的关系图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作详细说明。实施例1利用φ4.4m环抛机对尺寸为810mm*460mm*40mm的钕玻璃元件进行加工，抛光盘转速可调范围为0-0.5r/min。加工环境温度为22±0.1℃，相对湿度为65-70％RH，使用氧化铈作为抛光液，浓度4％，流量0.8L/h。元件透射波前指标要求为PV优于1/3λ,GRMS优于1/90λ，其加工步骤如下：步骤1)抛光模修形：保持环境温湿度、抛光液浓度/流速等工艺参数不变，将抛光盘转速调至0.25r/min，通过改变校正盘偏心率的方式对抛光模进行修形。在修形过程中使用φ600mm平面干涉仪测量所述的元件面形，低进高出，直至该光学元件面形PV小于1λ，且像散小于0.3λ。然后根据抛光模的面形变化特点，选择合适的偏心率，使之进入面形稳定期。步骤2)标定抛光盘转速调节量与元件面形变化量的比例系数K。保持工件环/抛光盘的转速比为1，以转速0.25r/min为初始值，改变大盘转速，抛光6小时后下盘测量元件面形变化，重复10次，得到数据如表1所示。表1钕玻璃元件面形离焦变化量与大盘转速调节量的关系然后以元件面形离焦为Y轴，抛光盘转速为X轴，对数据进行线性拟合，得到斜率K＝12.8。步骤3)保持工件环/抛光盘的转速比为1，对元件面形进行精调：若元件面形为低圈，则需调高抛光盘转速，调节量计算公式如下：式中：ΔP为当前面形离焦与指标要求的差值；若元件面形为高圈，则需调低抛光盘转速，调节量计算公式如下：式中：ΔP为当前面形离焦与指标要求的差值；步骤4)每抛光6小时后下盘，利用干涉仪检测面本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种平板类光学元件环形抛光面形精调方法，该方法包括步骤：步骤1)抛光模修形：将抛光盘的转速调至其可调范围的中间值，利用改变校正盘偏心率的方式对抛光模进行修形，在修形过程中使用干涉仪测量所述的光学元件面形，直至该光学元件面形PV小于1λ(λ＝632.8nm)，且像散小于0.3λ，然后根据抛光模的面形变化特点，选择合适的偏心距，使之进入面形保形期；其特征在于，还包括：步骤2)标定抛光盘转速调节量与元件面形变化量的比例系数K；步骤3)保持工件环/抛光盘的转速比为1，调节抛光盘转速：若元件面形为低圈，则需调高抛光盘转速，调节量计算公式如下：

【技术特征摘要】
1.一种平板类光学元件环形抛光面形精调方法，该方法包括步骤：步骤1)抛光模修形：将抛光盘的转速调至其可调范围的中间值，利用改变校正盘偏心率的方式对抛光模进行修形，在修形过程中使用干涉仪测量所述的光学元件面形，直至该光学元件面形PV小于1λ(λ＝632.8nm)，且像散小于0.3λ，然后根据抛光模的面形变化特点，选择合适的偏心距，使之进入面形保形期；其特征在于，还包括：步骤2)标定抛光盘转速调节量与元件面形变化量的比例系数K；步骤3)保持工件环/抛光盘的转速比为1，调节抛光盘转速：若元件面形为低圈，则需调高抛光盘转速，调节量计算公式如下：式中：ΔP为当前面形离焦与指标要...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨明红，邵建达，张弛豪，吴伦哲，徐学科，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31