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0431-81702023
光學工程
大口徑高精度方形平面光學元件研制

 摘要:采用環行拋光技術實現大尺寸、高面形精度和細表面粗糙度要求的方形或長方形平面元件批量化加工的一條有效途徑。介紹了利用環行拋光工藝實際制作了兩塊320mm×320mm×35mm 和320×320×48mmUBK7材料的工藝實驗樣品。加工的結果是,透射元件獲得了鍍膜后雙次透射波前0.293λ(P-V,λ=0.6328um)和反射元部件的反射波前0.22λ(P-V,λ=0.6328um)的結果。
關鍵詞:環行浮動拋光技術;工藝實驗;透射波前;反射波前
1.前言
       為了滿足大型光學系統對大口徑高精度平面光學元部件的需要,環行拋光技術越來越廣泛地應用到實際光學元部件的生產中。采用環行拋光技術(本文中主要涉及大玻璃校正盤修磨的單環行拋光機)加工的光學元部件可以獲得較高的面形精度。對于圓形光學元部件來說,使用環行拋光技術可以得到λ/8(P-V),有多年光學加工經驗的加工者可以加工到λ/20~λ/40。環形拋光技術在加工大口徑高精度平面光學元部件中,同傳統的加工方法相比,可以獲得更好的面形精度或波前精度,在加工異形光學元部件中更有優勢。
2.大玻璃校正盤修磨的單環行拋光機環行拋光原理
      在原理上,環行拋光運轉特性與傳統盤相同。任何兩個工件表面如能在任一部分任一方向上向彼此都能均勻接觸,其表面形狀必定是球面,其曲率可以是正、負或零。當校正盤沿著徑向向外移動時,轉動力矩增大,使瀝青膠盤變凸;當校正盤沿著徑向向內移動時,轉動力矩減小,使瀝青膠盤變凹。
      假設一個工件以角速度ω旋轉,以Ω旋轉的磨盤中心到工件旋轉中心距離為R,距工件旋轉中心距離為r,并相對磨盤中心和工件中心連線的角度為θ。磨盤的相對速度為V(r,θ)= [R2Ω2+(Ω-ω)2+2rR(Ω-ω)cosθ]1/2 (1) 當Ω等于ω時,磨盤與工件之間的速度關系在任意位置都是一個常數。由于在環拋加工時加工件及校正盤處于自由狀態壓力均勻,從而使整個表面均勻磨削;當Ω不等于ω 時,會產生一個徑向的磨損變化,使表面的磨削不均勻。
      整個表面磨削量dh/dt 可由Preston 方程表示為:dh/dt=kPv=kP(ds/dt)。
式中,k 比例常數,它與被拋光材料、拋光膜層材料、拋光粉種類、拋光液濃度、PH值及拋光溫度等參數有關;P為局部壓力;V為相對速度,等于在dt 時間內的行程ds的比值。
3.工藝實驗
3.1.環拋設備簡介

      成都精密光學工程研究中心目前配備了三臺一米,三臺二米和一臺二點五米的環形平面拋光機,其中一米的設備主要加工Ф330毫米以內的平面光學元部件,二米的設備主要加工Ф600毫米以內的平面光學元部件,二點五米環拋設備主要用于Ф800毫米以內的平面光學元部件。并且一米、二米的環拋設備均按照3臺一個機組配置,這樣的機組培植比單臺培植更有利于光學元部件面形的控制,使面形修正精度達到了用戶的要求,提高了工作效率,縮短了加工周期。
      一米環拋設備和二米環拋設備主要由變頻器控制的調速電機、蝸輪蝸桿減速箱、基座、安放在平面軸承上的托盤、大理石及上面的拋光膜、校正盤、夾持用輔助工裝及可以檢查的正盤面形的帶翻轉裝置的翻轉機構組成。機床主軸轉速為0.3~3r/min。;該設備調整校正盤比較方便,視野開闊,上下被加工元件也比較方便,夾持器調整范圍比較大,翻轉機構可以方便校正盤面形的檢測及在設備休整或停機時存放校正盤。由于校正盤夾持器較長,夾持器在工作中尤其是校正盤與拋光膠盤面形不吻合的時候容易出現顫抖,影響膠盤的修正及被加工件的加工。
      2.5m環拋設備主要由調速電機、齒輪減速箱、基座、安放在大齒圈上的托盤、大理石及拋光膜、校正盤及夾持校正盤和工件的橫梁支撐結構及其他輔助工裝組成。機床主軸轉速為0~4r/min。該設備設計時將主機部分與橫梁支撐結構分離,減少了主機與衡量結構相互間的互相影響,同時采用橫梁支撐結構增大了校正盤的剛性。但校正盤和工件的調整比較煩瑣,在調整過程中臟東西容易掉在拋光膠盤上,使被加工件出現道子。在光學加工中尤其是精拋光時最忌諱被加工件出現道子,這將直接影響到加工質量、效率及加工單位的信譽。
3.2.工藝實驗
     (1)方形元件的精細研磨。將方形元件用膠條或專用工裝上盤進行精細研磨。一般大口徑光學元部件的精細研磨最后一道砂用W14金剛砂研磨,研磨時必須將兩面磨透,并將等厚控制在0.01以內,面形微凹一些,有利于基板的拋光修面形精度。觀察表面砂眼粗細均勻,沒有新的道子及外傷。
     (2)方形元件的初拋光。可將方形元件用點膠上盤進行初拋光。剛開始時應該勤加拋光粉,拋光粉的濃度要大一些,以降低光學表面粗糙度和提高拋光效率,并在將光學元部件基板拋亮的過程中逐步修正面形精度,最終將面形控制在1.5λ左右,表面疵病控制在Ⅲ級。
     (3)方形元件的環行精拋光。大口徑方形元件的精拋光采用環形拋光技術加工。在環形拋光過程中,首先需要膠盤的面形要良好,在上拋光工件之前就應該將拋光膠盤修正到一定的精度,并且希望在加工過程中膠盤一直保持這種良好狀態,直到光學元部件達到所要求的精度為止。在實際加工的整個過程中,保持一致狀態是不太現實的,需要根據膠盤面形及工件面形的實際情況而定。通過調整校正盤的位置狀態,讓膠盤盡可能保持所需要的面形,以便高效地加工相應的工件。方形元件在拋光過程中的情況如圖所示。
      在實際的環行拋光加工過程中,總是將3臺一組的環拋機群中的一臺膠盤面形保持微凹,一臺膠盤面形保持微凸,一臺用作最后的面形修正。這樣可以針對不同初拋光的不同加工件的不同面形狀況選擇相應的環行拋光機,節約修正膠盤面形的時間,提高工件的加工效率。

      在加工工件的過程中,最重要的盡可能保證膠盤面形良好。在精拋光過程中,調整校正盤的位置時,調整幅度盡可能小一些,有利于膠盤與校正盤的面形相互磨合。當校正盤的調節量較大時容易出現校正盤顫動現象,影響膠盤的修正,同時校正的面形難以保證,容易出現帶差,導致修整膠盤的時間比較多,真正加工工件的時間少,降低了加工效率。
      在加工大口徑方形元件的過程中容易出現四個角"踏"或"翹"的現象。為了克服加工過程中的邊緣效應,在實際加工過程中通過對專用工裝進行改進,同時在加工過程中有意識地控制被加工件的工作位置狀態,可以大大緩減大口徑方形元件加工"塌邊"或"翹邊"問題。
被加工的方形元件在加工過程中容易出現對角塌角現象,筆者認為是被加工件面形與膠盤面形不吻合或專用工裝設計上存在的一些不足引起的,通過改進專用工裝,比較好地解決了這一問題。
      環拋大口徑高精度光學元部件時,加工精度達到0.8λ(P-V,λ=0.6328um)左右是容易的,收斂速度也比較快。當精度越往上加工難度就越大,甚至出現加工精度反復。當加工精度達到λ/2(P-V,λ=0.6328um)左右時,工件單次加工時間就越來越短,檢測的頻率就更快,以便保證被加工件的收斂趨勢及精度。
      用環行拋光技術加工,需在投射波前要求的高精度光學元部件透射兩面的面形精度及材料參數所引起的波前誤差,因此在加工透射波前所要求的光學部件時,在實際加工中常將方形元件的單面面形精度控制在λ/3左右。然后進行第二面精度的修正,在第二面精度達到負λ/3左右時進行透射波前檢驗,并進行小量的修正,知道加工精度單次透射波前達到λ/6(P-V,λ=0.6328um)。加工反射波前所要求的光學元部件相對難度就要難度大一些,加工過程中主要解決"塌角"或"翹角"(主要是"塌角")現象,只要將"塌角"或"翹角"控制在一定范圍及精度內,則整個表面的反射波前達到λ/4(P-V,λ=0.6328um)是可能的。所加工的320×320×48mm和320×320×35mmUBK7材料的光學樣件經24''相移干涉儀檢測,在鍍膜完工后通光口徑內的結果如圖所示。
4.結論
      雖然筆者在大型環拋機加工方面有了一定的加工經驗,但還存在許多不足的地方。2m、2.5m環拋機加工工藝還不成熟,還有很多細節需要進一步的研究。 1m環拋技術與2m環拋技術雖然在拋光原理上是一樣的,但直接將1m環拋上的加工經驗移植到2m環拋機上進行加工又不太適宜,而且2m環拋機對環境的要求比1m環拋機對環境的要求要嚴格得多。
      加工設備性能不穩定。由于2m及2.5m環拋機在國內都屬于新研制的大型光學加工設備,設備制造廠商缺少實際加工大口徑光學元部件設備的經驗,有一些地方需要作進一步的改進。
      環拋加工受環境影響較大,對環境溫度及其波動大小、濕度、環境清潔都有較高的要求。下一步準備進一步凈化環拋加工環境,提高環拋設備加工的環境條件。


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