CN103227093A - 适用于大口径非球面光学零件的大气等离子体加工装置 - Google Patents

Abstract

适用于大口径非球面光学零件的大气等离子体加工装置，本发明属于光学加工领域。它是为了解决传统的机械抛光技术存在的低加工效率而无法满足光学领域对大口径光学元件的大批量需求的问题。它的旋转电极设置在密封罩内，旋转电极与射频电源的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极；密封罩的上端绝缘连接在工作轴上，将待加工光学零件装卡在工作平台上；工作平台接地作为大气等离子体放电的阴极；旋转电极与待加工光学零件的待加工表面之间设置有放电间隙。本发明能对大口径非球面光学表面进行非接触式大气等离子体加工，加工速度高，不存在边缘效应问题。

Description

适用于大口径非球面光学零件的大气等离子体加工装置

技术领域

本发明属于光学加工领域。

背景技术

计算机控制光学表面成形技术CCOS (Computer Controlled Optical Surfacing)，是20世纪70年代发展起来的一项光学加工技术。CCOS技术随着计算机技术的发展进一步完善，大大推动了光学零件制造技术的发展，特别是在大口径、高精度非球面的抛光加工中降低了对操作者经验技术的要求，并提高了重复性。

非球面光学零件具有矫正像差可得到更高的成像质量，提高光学系统精度和稳定性，简化系统结构等优点，在激光聚变装置、高能激光、红外热成像、空间探测光学系统中有着重要的应用和极大的需求。随着现代光学系统的发展，对非球面光学零件提出了越来越高的要求。一方面，随着空间探测技术的需要，现代大型空间望远镜、超大型天文望远镜领域为了提高分辨率，对探测镜的口径越来越大，其主反射镜直径到达数米甚至由非球面子镜拼接至几十米。另一方面，在强激光系统中，为了减小散射损失，提高抗破坏阈值，对光学零件表面提出无表层和亚表层损伤的要求。

大气等离子体加工技术是近年来提出的一种新型光学零件加工方法，特别针对融石英玻璃、超低膨胀玻璃、微晶玻璃、碳化硅等硬脆难加工材料的加工新方法。它是在大气压环境条件下利用射频电源激发出的具有高密度高反应活性的反应原子与工件表面原子发生化学反应，生成具有挥发性的反应产物来实现材料的去除。大气等离子体加工技术是完全依靠化学反应的方式实现对材料的去除，不存在表面和亚表面损伤，同时激发的高浓度的反应活性原子保证了高的去除效率。

由于大气等离子体抛光技术在抛光大口径非球面光学元件上的优势，并且随着大口径非球面光学元件需求量的日益增长，国内应用于大口径非球面光学元件超精密加工的大气等离子体抛光装置的研究也迫在眉睫。目前，大气等离子体抛光装置多采用同轴或平板式射流放电形式，还没有适用于大口径非球面光学零件的大气等离子体加工的旋转电极放电装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于大口径非球面光学零件的大气等离子体加工装置，为了解决传统的机械抛光技术存在的低加工效率而无法满足光学领域对大口径光学元件的大批量需求的问题。

所述的目的是通过以下方案实现的：所述的一种适用于大口径非球面光学零件的大气等离子体加工装置，它由旋转电极、密封罩、混合等离子体气源、射频电源、龙门加工机床组成；

旋转电极设置在密封罩内，密封罩的下端有开口，密封罩的内腔通过气管与混合等离子体气源导气连通，旋转电极与射频电源的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极；密封罩的上端绝缘连接在龙门加工机床的竖直运动工作平台上，将待加工光学零件装卡在龙门加工机床的水平运动工作平台上；将龙门加工机床的工作平台与射频电源相连并接地作为大气等离子体放电的阴极；旋转电极与待加工光学零件的待加工表面之间设置有放电间隙，放电间隙的间隙范围为：100μm～3mm；合等离子体气源包含反应气体、等离子体激发气体和辅助气体，所述反应气体与等离子体激发气体的流量比为1：10~1：1000，辅助气体与反应气体的流量比为1：10~1：1。

本发明与现有技术相比具有下列优点：

1、它具有结构控制简单、适用范围广、加工能力强的大气等离子体加工的旋转电极放电装置，该大气等离子体加工装置适用于大口径非球面光学零件加工要求，旋转电极带动气流不仅可以起到冷却作用，而且有利于化学加工反应产物及时脱离工件表面。

2、本发明采用了旋转式大气等离子体放电装置，高速旋转的电极使进入电极和工件之间放电区域的反应气体大大增加，使电离出活性离子的浓度增强，大大提高大口径光学零件的加工效率，缩短加工周期；

3、本发明中旋转电极带动加工区域气体的流动速率，促进大气等离子体化学加工的生成物尽快脱离工件表面，减少电离生成的原子基团在工件表面附着生成沉积，提高加工表面质量；

4、本发明中高速旋转的电极带动气体从电极内部进入放电间隙，无需对放电电极进行冷却，同时减少了等离子体放电时产生的热量对加工的影响。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1所示，它是由旋转电极1、密封罩2、混合等离子体气源3、射频电源4、龙门加工机床5组成；

旋转电极1设置在密封罩2内，密封罩2的下端有开口2-1，密封罩2的内腔通过气管2-2与混合等离子体气源3导气连通，旋转电极1与射频电源4的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极；密封罩2的上端绝缘连接在龙门加工机床5的竖直运动工作平台5-2上，将待加工光学零件6装卡在龙门加工机床5的水平运动工作平台5-1上；将龙门加工机床5的工作平台5-1与射频电源4相连并接地作为大气等离子体放电的阴极；旋转电极1与待加工光学零件6的待加工表面之间设置有放电间隙，放电间隙的间隙范围为：100μm～3mm；合等离子体气源3包含反应气体、等离子体激发气体和辅助气体，所述反应气体与等离子体激发气体的流量比为1：10~1：1000，辅助气体与反应气体的流量比为1：10~1：1。

所述混合等离子体气源3中的等离子体激发气体为氦气或氩气；反应气体为六氟化硫、四氟化碳或三氟化氮；辅助气体为氧气、氢气或氮气。

所述大气等离子旋转电极1为轮型电极、球型电极、圆柱型电极或片状电极；所述大气等离子旋转电极1的材质为铝，并在表面镀有一层厚度为1-3μm的氧化膜。

所述龙门加工机床5为龙门铣床或龙门刨床。

所述的龙门加工机床5的竖直运动工作平台5-2由一个竖直运动模块和小范围摆动模块组成；竖直运动模块的运动行程范围为：0-200mm，摆动模块的摆动范围为：-45°~ +45°。

所述射频电源4的频率为13.56MHz或27.12MHz，最大功率为2KW。

所述混合等离子体气源3为三元气体混合系统，供气流量为20-100L/min。

所述待加工光学零件6的材质可为石英玻璃、超低膨胀玻璃、微晶玻璃、碳化硅。

工作原理：由射频电源4输出端连接旋转电极1作为大气等离子体放电的阳极，零件工作台接地作为大气等离子体放电的地电极，由混合等离子体气源3提供激发产生等离子体的气体充满等旋转电极和零件之间的间隙，由射频电源4提供输出电能，在旋转电极1和待加工光学零件6的放电间隙产生等离子体，同时反应气体被激发，产生具有反应活性的原子与待加工光学零件6的表面发生化学反应，并生成挥发性的反应产物被旋转的等离子体电极带离零件表面，由此实现对大口径光学零件的无损伤快速加工。

Claims (4)

1.适用于大口径非球面光学零件的大气等离子体加工装置，其特征在于它由旋转电极（1）、密封罩（2）、混合等离子体气源（3）、射频电源（4）、龙门加工机床（5）组成；

旋转电极（1）设置在密封罩（2）内，密封罩（2）的下端有开口（2-1），密封罩（2）的内腔通过气管（2-2）与混合等离子体气源（3）导气连通，旋转电极（1）与射频电源（4）的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极；密封罩（2）的上端绝缘连接在龙门加工机床（5）的竖直运动工作平台（5-2）上，将待加工光学零件（6）装卡在龙门加工机床（5）的水平运动工作平台（5-1）上；将龙门加工机床（5）的工作平台（5-1）与射频电源（4）相连并接地作为大气等离子体放电的阴极；旋转电极（1）与待加工光学零件（6）的待加工表面之间设置有放电间隙，放电间隙的间隙范围为：100μm～3mm；合等离子体气源（3）包含反应气体、等离子体激发气体和辅助气体，所述反应气体与等离子体激发气体的流量比为1：10~1：1000，辅助气体与反应气体的流量比为1：10~1：1。

2.根据权利要求1所述的适用于大口径非球面光学零件的大气等离子体加工装置，其特征在于所述的龙门加工机床（5）的竖直运动工作平台（5-2）由一个竖直运动模块和小范围摆动模块组成；竖直运动模块的运动行程范围为：0-200mm，摆动模块的摆动范围为：-45°~ +45°。

3.根据权利要求1所述的适用于大口径非球面光学零件的大气等离子体加工装置，其特征在于所述混合等离子体气源（3）中的等离子体激发气体为氦气或氩气；反应气体为六氟化硫、四氟化碳或三氟化氮；辅助气体为氧气、氢气或氮气。

4.根据权利要求1所述的适用于大口径非球面光学零件的大气等离子体加工装置，其特征在于所述大气等离子旋转电极（1）为轮型电极、球型电极、圆柱型电极或片状电极；所述大气等离子旋转电极（1）的材质为铝，并在表面镀有一层厚度为1-3μm的氧化膜。

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